KR102490528B1 - 이차전지의 함침방법과 함침성을 향상시키기 위한 가압장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 음극, 분리막, 양극이 반복 적층된 전극조립체가 내장된 파우치 내에 전해액을 주입하여 함침시키는 이차전지의 함침방법에 있어서, 일측이 개구된 파우치 내부로 전해액을 주입하는 단계; 전해액이 주입된 파우치의 개구된 부분을 밀폐하는 단계; 파우치가 밀폐된 상태에서 일정시간 동안 1차에이징시키는 단계; 및 상기 파우치에 압착이 이루어지는 방향으로 외부에서 압력을 가하는 단계;를 포함하고, 상기 파우치의 가압은, 판 모양을 갖고 적어도 두 개 이상이 서로 평행하도록 배치된 지그들 사이에 상기 파우치가 놓이면 상기 지그들이 파우치의 양면을 가압하도록 활주하는 가압장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지의 함침방법과 함침성을 향상시키기 위한 가압장치{Impregnation method for secondary battery and pressure device for improving impregnation efficiency}

본 발명은 이차전지의 함침방법과 함침성을 향상시키기 위한 가압장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 파우치 내에 주액이 이루어진 후에 함침성을 향상시키기 위해 가압단계가 추가되는 함침방법과 상기 함침방법에서 사용될 수 있는 가압장치에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로써 이차전지 수요가 급증하고 있다. 그러한 이차 전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차 전지가 상용화되어 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며, 성능 향상 및 적용 범위를 넓히기 위한 다양한 연구 개발이 진행되고 있다.

이차전지는 전극조립체의 제조형태에 따라 권취형, 스택형, 스택앤폴딩형 등으로 구분되되, 공통적으로 전극조립체와 전해액(전해물)이 케이스(캔, 파우치 등) 내에 내장된 구조를 갖는 것이 일반적이다.

이 중 파우치형 이차전지를 제조하는 방법은, 파우치 내부에 전극조립체를 삽입한 후에 전해액 주입구를 제외한 다른 부분들은 밀봉한 다음(또는 모두 밀봉한 후 전해액 주입구를 별도로 개방한 다음) 전해액을 주입하고 상기 전해액의 주입구를 재밀봉한다. 그리고, 전해액이 주입된 파우치 내에서 전해액이 전극조립체에 충분히 함침(전해액이 전극조립체에 스며드는 작용)되도록 일정시간동안 에이징이 이루어진다.

따라서, 종래의 전해액 주입장치(50)는 도 1a 에 도시된 바와 같이 이차전지가 내장되는 내부를 갖되, 내부 공기를 외부로 배출함으로써 진공상태를 생성하는 배기포트(53)와 전해액이 주입되는 전해액투입포트(51) 및 전해액 투입 시 공기 침투를 방지하도록 전해액 친화기체를 투입하는 기체투입포트(52)를 갖는다. 이때, 상기 이차전지는 파우치(1)의 일부가 개방된 상태로 전해액의 주입이 가능하며 상기 파우치(1) 내에는 전극조립체(1a)가 내장된 상태이다.

그리고, 종래의 실링장치(60)는 도 1b 에 도시된 바와 같이 내부에 음압이 작용하는 공간 내에서 파우치(1)의 개구된 부분을 실링부(61)가 가열하여 밀봉이 이루어지도록 구성된다.

한편, 이차전지의 제조시 전해액의 함침성은 이차전지의 성능에 큰 영향을 미친다. 이에 따라, 함침성을 높이기 위해 위에 설명된 바와 같이 진공상태에 전해액의 주액 및 밀봉이 이루어지며, 추가적이 에이징 공정이 요구된다.

그러나, 이차전지의 대량생산이 이루어질 때 생산원가 절감 측면에서 제조시간의 단축이 요구되나, 진공상태에서 전해액을 주액하는 과정은 제조공정 시간을 증대시키는 문제가 있었다. 아울러, 에이징 공정시간의 단축도 또한 요구되었다.

따라서, 본 발명은 전해액 주액 공정시간, 함침이 이루어지는 에이징 공정시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 함침성(전해액이 전극조립체에 함침되는 성질)을 개선할 수 있는 이차전지의 함침방법과 함침성을 향상시키기 위한 가압장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 함침방법은, 음극, 분리막, 양극이 반복 적층된 전극조립체가 내장된 파우치 내에 전해액을 주입하여 함침시키는 이차전지의 함침방법에 있어서, 일측이 개구된 파우치 내부로 전해액을 주입하는 단계; 전해액이 주입된 파우치의 개구된 부분을 밀폐하는 단계; 파우치가 밀폐된 상태에서 일정시간 동안 1차에이징시키는 단계; 및 상기 파우치에 압착이 이루어지는 방향으로 외부에서 압력을 가하는 단계;를 포함하고, 상기 파우치의 가압은, 판 모양을 갖고 적어도 두 개 이상이 서로 평행하도록 배치된 지그들 사이에 상기 파우치가 놓이면 상기 지그들이 파우치의 양면을 가압하도록 활주하는 가압장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 상기 전해액이 상압(常壓)에서 주입된다. 아울러, 상기 파우치에 압력이 가해지는 동안 가열이 동시에 가해질 수 있다.

그리고, 상기 파우치의 개구된 부분이 밀폐될 때, 상기 파우치 내부의 공기가 배출되도록 음압(陰壓)이 작용하는 상태(진공상태)에서 실링이 이루어진다.

상기 파우치의 외부에서 압력을 가하는 단계는 1차에이징이 종료된 후에 이루어지되, 상기 파우치에 압력이 가해진 상태에서 일정시간 동안 2차에이징이 추가로 이루어진다(즉, 2차에이징은 가압이 가해진 상태로 일정시간 유지되는 공정을 의미한다). 다만, 2차에이징은 1차에이징 보다 짧은 시간동안 이루어진다.

아울러, 본 발명은 상기의 함침방법에서 사용될 수 있는 가압장치를 추가적으로 제공한다.

본 발명에 따른 가압장치는, 음극, 분리막, 양극이 반복 적층된 전극조립체가 내장되고 전해액이 주입된 상태로 밀폐된 파우치의 함침성을 향상시키기 위한 가압장치로써, 면끼리 마주하도록 나란하게 열을 이뤄 배치된 복수 개의 지그; 및 상기 지그들 사이에 파우치가 안착되면 파우치가 압착되도록 지그의 활주를 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 지그에는 컨트롤러에 의해 가열온도가 제어되는 가열장치가 내장되어 파우치에 가열과 가압을 동시에 가할 수 있다

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 전해액의 함침이 이루어지는 동안 외부에서 가해지는 압력에 의해 함침성능을 향상시킬 수 있고 함침이 이루어지는 에이징 시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 방법에서는 주액공정이 상압상태에서 이루어질 수 있으므로 (진공을 만드는 과정이 삭제될 수 있으므로) 주액공정을 단순화할 수 있고 공정시간을 단축할 수 있다.

그리고, 가압이 작용하는 상태로 일정시간 동안 2차에이징이 추가로 이루어지며 함침이 이루어지기 적합한 온도로 가열이 이루어질 수 있으므로 함침성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1a 는 종래의 전해액 주입장치의 내부가 단순화되어 도시된 도면.
도 1b 는 종래의 실링장치의 내부가 단순화되어 도시된 도면.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 함침방법의 순서도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따라 배기포트가 삭제된 전해액 주입장치의 내부가 단순화되어 도시된 도면.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 가압장치를 단순화하여 도시한 사시도.
도 5 는 본 발명에 따른 함침방법과 종래의 함침방법으로 함침이 이루어질 때 총 에이징 시간(1차에이징과 2차에이징을 합친시간)에 따른 함침된 전해액 무게를 비교한 그래프.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 음극, 분리막, 양극이 반복 적층된 전극조립체가 내장된 파우치(1) 내에 전해액을 주입하여 함침시키는 이차전지의 함침방법과 함침성능을 향상시키기 위해 상기 함침방법에서 제공되는 가압장치에 관한 것으로써, 이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.

실시예1

본 발명에 따른 이차전지의 함침방법은 전극조립체(1a)가 내장된 상태에서 일부분이 개구된 파우치(1)에 전해액을 주입하는 공정을 포함한다. 즉, 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 함침방법은 일측이 개구된 파우치(1) 내부로 전해액을 주입하는 단계부터 시작된다.

이때, 본 발명에서는 상기 전해액이 진공상태가 아니라 상압(常壓)에서 주입될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 전해액 주입장치(40)는 종래의 구조와 달리 내부 공기를 빼내는 배기포트가 삭제될 수 있다. 즉, 도 3 에 도시된 바와 같이 상기 전해액 주입장치(40)는 이차전지가 내장되는 내부를 가지며, 전해액이 주입되는 전해액투입포트(41) 및 전해액 투입 시 공기 침투를 방지하도록 전해액 친화기체를 투입하는 기체투입포트(42)를 갖되, 내부 공기를 외부로 배출하는 배기포트는 삭제될 수 있다. 상기 전해액 주입장치(40) 내에 장착된 이차전지는 파우치(1)의 일부분이 개방된 상태이며 개방된 지점을 통해 전해액의 주입이 이루어진다.

전해액의 주입이 완료되면, 상기 전해액이 주입된 파우치(1)의 개구된 부분(즉, 전해액 주입구)는 밀폐된다. 상기 파우치(1)의 밀폐는 도 1b 에 도시된 바와 같이 종래와 동일 또는 유사한 구조를 갖는 실링장치를 통해 이루어진다. 이때, 상기 파우치(1)의 개구된 부분이 밀폐될 때는 상기 파우치(1) 내부의 공기가 배출되도록 음압(陰壓)이 작용하는 상태(진공인 공간에 놓인 상태)에서 이루어진다.

내부가 완전히 밀폐된 파우치(1)는 밀폐된 상태에서 일정시간 동안 상온, 상압 상태에서(또는 미리 정해진 일정한 온도 및 압력 조건 하에서) 1차에이징이 이루어진다. 1차에이징 동안에서 파우치(1) 내의 전해액은 전극조립체(1a) 내부로 스며든다.

미리 정해진 시간동안 1차에이징이 이루어진 후, 본 발명에서는 함침성 및 함침속도를 더 향상시키도록 상기 파우치(1)에 압착이 이루어지는 방향으로 외부에서 압력을 가하는 단계가 추가된다.

이 단계에서는 압력과 함께 파우치에 열이 함께 가해질 수 있으며, 압력(및 가열)이 가해진 상태에서 일정시간 동안 2차에이징이 이루어진다.

이때, 상기 2차에이징은 1차에이징 보다 더 짧은 시간동안만 이루어진다. 가령, 1차에이징은 15분에서 25분 정도 이루어진다면 2차에이징은 2분 내지 5분 정도로 이루어진다.

물론, 이차전지의 크기 및 규격 등에 따라 2차에이징 시간을 더 짧게하거나 증대시킬 수도 있을 것이나, 본 출원인은 반복시험을 통해 통상적인 휴대폰용 용량의 이차전지의 경우 통상적으로 3분 내외에서 (적절한 압력이 가해지는 가압과 함께) 2차에이징이 이루어질 때 함칭성 향상과 공정시간 단축 효과를 극대화 할 수 있는 것을 확인 할 수 있었다.

실시예2

본 발명에서는 실시예1의 함침방법이 적용될 수 있는 가압장치(100)를 본 발명의 실시예2로써 추가적으로 제공한다. 본 발명에 따른 가압장치(100)는 판 모양을 갖고 적어도 두 개 이상이 서로 평행하도록 배치된 지그들(10) 사이에 상기 파우치(1)가 놓이면 상기 지그들(10)이 파우치(1)의 양면을 가압하도록 활주하도록 구성된다.

도 4 를 참조하면, 본 발명에 따른 가압장치(100)는, 음극, 분리막, 양극이 반복 적층된 전극조립체가 내장되고 전해액이 주입된 상태로 밀폐된 파우치(1)의 함침성을 향상시키기 위한 가압장치로써, 복수 개가 나란이 배치된 지그들(10)과 상기 지그들(10)을 활주시키는 컨트롤러(30)를 포함한다.

상기 지그들(10)은 면끼리 마주하도록 나란하게 열을 이뤄 배치되며, 각각의 사이로 파우치(1)가 안착될 수 있게 소정의 간격으로 이격되고 상기 파우치(1)를 압착하도록 활주가능하게 구성된다. 상기 지그(10)는 유압, 공압, 전기 등을 동력원으로 하는 활주장치(미도시)와 결합되어 활주가능하며 양면 또는 일면 또는 그 내부에 파우치(1)를 가열시킬 수 있도록 가열장치(20)가 장착된다. 상기 가열장치는 지그(10)의 양면 또는 일면에 추가적으로 장착되거나 지그(10) 내부에 내장되게 설치될 수도 있다. 또한, 파우치(1)에 가해지는 열과 압력을 계측하는 측정장치(미도시) 등 도 상기 지그(10)에 결합되어 또는 분리되어 그 근방에서 설치될 수도 있다.

그리고, 상기 컨트롤러(30)는 상기 지그들(10) 사이에 파우치(1)가 안착될 수 있게 지그들(10)의 개별적인 활주를 제어하며 파우치(1)가 안착되면 압착될 수 있게 지그들(10)을 활주시키되 가압되는 압력을 조절할 수 있다. 아울러, 상기 컨트롤러(30)는 지그(10)에 장착된 가열장치(20)의 가열온도 및 2차에이징이 이루어지는 시간 또한 제어할 수 있게 구성되되, 파우치(1)에 가해지는 열과 압력을 측정장치로 부터 전달받아 열과 압력을 자동적으로 조절하거나 또는 작업자의 수동입력에 의해 조절할 수 있게 구성될 수 있을 것이다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 전해액의 함침이 이루어지는 동안 외부에서 가해지는 압력에 의해 함침성능을 향상시킬 수 있고 함침이 이루어지는 에이징 시간을 단축시킬 수 있다.

도 5 는 본 발명에 따른 함침방법과 종래의 함침방법으로 함침이 이루어질 때 총 에이징 시간(1차에이징과 2차에이징을 합친시간)에 따른 함침된 전해액 무게를 비교한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 종래의 방법에서는 진공상태에서 주액이 이루어지므로(종래의 주액장치는 배기포트를 통해 주액장치 내부의 공기를 빼낸 상태에서 주액이 이루어지므로) 초기에는 본 발명의 방법 보다 전해액의 함침이 더 신속히 이루어질 수 있었으나, 지그(10)에 의해 파우치(1)가 가압되고 가압과 함께 2차에이징이 이루어짐에 따라 함침성능이 역전되고 최종에는(2차에이징이 종료된 시점에는) 본 발명의 방법으로 함침 공정이 이루어진 이차전지가 종래의 함침 공정으로 이루어진 이차전지 보다 전극조립체에 전해액이 더 많이 함침되는 것(도 5 의 그래프에서 함침된 전해액의 무게 참조)을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법에서는 주액공정이 상압상태에서 이루어질 수 있으므로 (진공을 만드는 과정이 삭제될 수 있으므로) 주액공정을 단순화할 수 있고 공정시간을 단축할 수 있다.

그리고, 가압이 작용하는 상태로 일정시간 동안 2차에이징이 추가로 이루어지며 함침이 이루어지기 적합한 온도로 가열이 이루어질 수 있으므로 함침성능을 더욱 크게 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.

1 : 파우치
1a: 전극조립체
10 : 지그
20 : 가열장치
30 : 컨트롤러

Claims (8)

1. 음극, 분리막, 양극이 반복 적층된 전극조립체가 내장된 파우치 내에 전해액을 주입하여 함침시키는 이차전지의 함침방법에 있어서,
   일측이 개구된 파우치 내부로 상압에서 전해액을 주입하는 단계;
   전해액이 주입된 파우치의 개구된 부분을 음압이 작용하는 상태에서 밀폐하는 단계;
   상온, 상압 상태에서 파우치가 밀폐된 상태에서 일정시간 동안 1차에이징시키는 단계; 및
   1차에이징이 종료된 후, 상기 파우치에 압착이 이루어지는 방향으로 외부에서 일정시간 동안 압력을 가하여 2차에이징시키는 단계;를 포함하고,
   상기 파우치의 가압은, 판 모양을 갖고 적어도 두 개 이상이 서로 평행하도록 배치된 지그들 사이에 상기 파우치가 놓이면 상기 지그들이 파우치 양면 전체영역을 가압하도록 활주하는 가압장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 함침방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 파우치에 압력이 가해지는 동안 가열이 동시에 가해지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 함침방법.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   2차에이징은 1차에이징 보다 짧은 시간동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 함침방법.
   
7. 삭제
8. 삭제

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