KR102548344B1 - 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지셀 내의 전극조립체에 대한 전해액의 함침(wetting)을 향상시키기 위한 장치로서,
하나 이상의 예비 전지셀이 수납되는 전지셀 트레이(tray); 및
상기 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해 있고, 예비 전지셀이 수납된 상태에서, 예비 전지셀에 메가소닉(Megasonic) 진동을 인가하는 가진부;
를 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법을 제공한다.

Description

진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법 {Device for Manufacturing Battery Cell of Enhancing Electrolyte Wetting through Vibration and Manufacturing Method of Battery cell Using the Same}

본 발명은 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.

특히, 전기자동차와 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

일반적으로, 이러한 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장시킨 상태로 밀봉함으로써, 제조된다.

이러한 경우에, 상기 이차전지는 전극조립체에 대한 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있도록, 특정한 온도, 압력 및 시간의 조건 하에서 숙성(aging) 공정을 거치게 되고, 이러한 과정에서 발생한 가스를 외부로 배출시키는 탈기(degas) 공정을 거쳐 제조된다.

그러나, 상기 숙성 공정 및 탈기 공정은 전극조립체가 전해액에 충분히 함침될 수 있도록 하기 위해, 그리고, 기포 제거를 충분히 하기 위해, 지나치게 많은 시간을 소요하게 되며, 이에 따라, 최근에는 전해액 함침시 진공을 이용한 방법, 가압을 이용한 방법 등을 사용하여, 그 시간을 단축하고자 하는 노력이 있어왔다.

그럼에도 불구하고, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 방법에 따라서는 여전히 이차전지 셀 내부에 기포가 잔존하는 경우가 많으며, 특히 이차전지 셀 내부에 존재하는 마이크로 크기의 기포는 장기간 사라지지 않으며, 용존 산소량을 증가시켜, 이차전지의 용량에 악영향을 미치며, 가스를 수용하는 가스포켓의 공간보다 더 많은 가스의 방출로 배터리 안전에 위협이 된다.

따라서, 상기 방법 이후에도 탈기 공정을 수행하는데, 기포 제거에 시간이 많이 소요되므로, 공정 비용 및 제조 시간 증가의 문제를 일으킨다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전지셀 트레이에 예비 전지셀이 수납된 상태에서, 상기 예비 전지셀에 메가소닉 진동을 인가하도록 구성함으로써, 상기 진동으로 인한 전극조립체와 전해액의 직접적인 물리적 접촉을 증가시켜 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 작은 크기의 기포 제거를 가능하게 하고, 전지셀 손상은 최소화 시킴으로써, 종래 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 구현예에 따르면,

전지셀 내의 전극조립체에 대한 전해액의 함침(wetting)을 향상시키기 위한 장치로서,

하나 이상의 예비 전지셀이 수납되는 전지셀 트레이(tray); 및

상기 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해 있고, 예비 전지셀이 수납된 상태에서, 예비 전지셀에 메가소닉(Megasonic) 진동을 인가하는 가진부;

를 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치가 제공된다.

따라서, 상기 메가소닉의 진동에 의해 전극조립체와 전해액의 직접적인 물리적 접촉을 증가시키고, 이에 따른 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 기포의 제거도 효과적으로 가능하므로, 전지셀의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있고, 전지셀의 안전성을 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 메가소닉 진동은, 500 kHz 내지 3000 kHz의 진동수를 가지는 진동으로, 보통 20kHz 내지 100kHz의 진동수를 가지는 초음파와는 차이가 있다.

상기와 같은 범위의 높은 진동수를 가질수록 작은 크기의 기포도 제거할 수 있을 뿐 아니라, 전지셀에 대한 손상도 절감된다.

또한, 전해액 함침에 있어서는, 진동에 의해 전극조립체와 전해액의 직접적인 물리적 접촉을 증가시키는 방법으로 이루어진다.

그러나, 상기 기포의 제거를 위해서는 바운더리 레이어(boundary layer)가 영향을 미치게 되는데, 상기 바운더리 레이어란, 유체가 영향을 미치는 두께를 의미하며, 이러한 바운더리 레이어가 제거하고자 하는 기포의 크기보다 작아야, 그 기포에 영향을 미칠 수 있으므로, 바운더리 레이어가 작아질수록 제거 가능한 기포의 크기가 작아진다(도 2 참조).

한편, 그 크기(직경)가 큰 기포의 경우, 빠르게 표면으로 상승하여 파열하거나, 수분 정도만 존재하는 반면, 기포의 크기가 작아질수록 잔류 시간은 증가하고, 표면으로 상승하지 않고, 유체 내부에 존재하게 되므로, 작은 크기의 기포를 제거하는 것이 관건이다.

따라서, 바운더리 레이어를 작게하여, 작은 크기의 기포까지 제거를 가능하게 할 수 있다. 이러한 바운더리 레이어는 주파수가 클수록, 유체의 점도가 낮을수록, 온도가 높을수록 작아진다.

따라서, 본 발명의 출원인들은, 초음파보다 주파수가 큰 메가소닉 진동을 사용하는 경우, 전지셀 내부의 마이크로 크기 이하의 기포까지 제거가 가능한 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

상기 메가소닉 진동의 가진부는 PZT(Lead zirconate titanate, 티탄산 지르콘산 연)로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 메가소닉 진동은 교류전압을 이용하여 가진부인 PZT에 의해 진동판을 떨리게 하는 것으로, 도 3에서 보는 바와 같이, 큰 압력에 의해 기포에 수축과 팽창을 반복적으로 동작하게 함으로써, 기포에 충격을 주고 표면장력 이상의 압력에 의해 수축, 폭발을 일어나게 하여 기포를 제거하게 된다.

이와 같은 방법으로, 본 발명에 따르면, 전해액 함침 뿐 아니라, 전해액 내 기포를 효과적으로 제거할 수 있는 바, 전지 용량의 저하를 막고, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 효과를 발휘하기 위한, 상기 예비 전지셀은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 구조를 가진다면, 그 형태는 한정되지 아니하고, 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 및 파우치형 전지셀이 모두 사용될 수 있다.

다만, 금속 캔으로 이루어진 원통형 전지셀이나 각형 전지셀은 전지셀 트레이에 수납할 때, 고정이 비교적 잘 이루어지므로, 이들 모양에 대응되는 오목부를 포함하는 전지셀 트레이를 이용할 수 있다.

반면, 파우치형 전지셀은 형태 변형이 잘 이루어지는 구조이므로, 상기 원통형 전지셀이나 각형 전지셀에 비해 지그 고정이 쉽지 아니하므로, 이들 전지셀들을 고정할 수 있는 별도의 고정 부재가 더 포함될 수도 있음은 물론이며, 그 형태는 파우치형 전지셀을 고정할 수 있는 구조라면 한정되지 아니한다.

이때, 상기 예비 전지셀은 가스의 효과적인 제거를 위해 전지셀 상부가 일부 또는 전부 개방되어 있는 구조일 수도 있다. 여기서, 상부는 전지셀 트레이에 수납시 전지셀 트레이 상면 개방방향을 의미한다. 예를 들어, 파우치형의 경우 전극단자 형성 위치, 원통 및 각형의 경우 캡 부분을 의미할 수 있다. 전지셀 트레이에의 수납 형태에 따라 액상매체가 흡입되지 않도록 물론 폐쇄된 형태도 가능하나, 이 경우, 이후 추가적으로 가스를 제거하기 위해 개방 후 다시 폐쇄하는 공정이 추가로 필요할 수 있다.

한편, 상기 어떠한 형태의 전지셀이든, 전지셀들의 수납 형태는 한정되지 아니하고, 가능하며, 하기 도 4 내지 6과 같이 수납될 수 있다.

즉, 도 4와 같이, 원통형 전지셀의 경우, 캡 플레이트 부분이 상부에 위치하도록 세워진 형태 또는 캡 플레이트와 바닥면이 지면에 대해 동일한 위치에 있도록 눕혀진 형태가 다 가능하며, 도 5 및 6과 같이, 각형 전지셀 및 파우치형 전지셀은, 전극 단자들이 상부에 위치하도록 세워진 형태, 전극 단자들이 측면에 위치하되, 보다 얇은 면적이 바닥부를 향하도록 세워진 형태, 또는 전극 단자들이 측면에 위치하고, 가장 넓은 면적이 바닥부를 향하도록 적층된 상태로 수납될 수 있다.

한편, 상기 전지셀 트레이는 지면을 기준으로 상면 및 하면이 개방된파이프(pipe) 형상, 또는 예비 전지셀들을 수납할 수 있도록 지면을 기준으로 상면이 개방된 상태에서, 상기 개방 부위로부터 하면 방향으로 오목하게 만입된 형상으로 이루어질 수 있으며, 다시 말해, 속이 빈 형태의 또는 컵(cup) 형상일 수 있다.

따라서, 상기 예비 전지셀은 전지셀 트레이의 개방된 상면을 통해 보다 용이하게 수납 및 제거될 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 전지셀 트레이는, 상부 뿐 아니라 하부 또한 개방되어 있어, 상기 가진부가 전지셀 트레이의 일측에서 전지셀 트레이의 모서리와, 예비 전지셀에 직접 접촉된 상태에서 메가소닉 진동을 인가하는 구조일 수 있으며, 또는 전지셀 트레이의 하부가 폐쇄되어 있고, 상기 가진부가 전지셀 트레이의 하면에 대면하여 고정되어 전지셀 트레이에 메가소닉 진동을 인가함으로써, 상기 메가소닉 진동이 예비 전지셀에 전달되는 구조일 수도 있다.

다시 말해, 상기 가진부는 예비 전지셀에 직접 또는 간접적으로 메가소닉 진동을 인가할 수 있으며, 공정의 효율성, 공간에 대한 제약 등 다양한 요인을 고려하여 적절한 방법 내지 구성을 통해 효과적으로 진동을 인가할 수 있다.

또한, 상기 전지셀 트레이는 각 예비 전지셀들의 수납 공간을 구분하는 가드를 포함할 수도, 그렇지 않을 수도 있다.

즉, 적절히 예비 전지셀들을 수납하고, 고정할 수 있는 구조라면 한정되지 아니한다.

한편, 상기 메가소닉 진동은 한 차례, 또는 주기적 또는 비주기적으로 두 차례 이상 인가될 수 있다.

여기서, 상기 가진부로부터 인가되는 진동 횟수 및 주기는 진동이 가해지는 예비 전지셀의 수량 및 크기와 같은 조건에 따라 적절히 선택될 수 있음은 물론이다.

또 하나의 구체적인 예에서, 상기 예비 전지셀은 전지셀 트레이에 수납된 상태에서 액상 매체에 담지되어 있을 수 있다. 구체적으로, 예비 전지셀 기준 5% 이상이 담지될 수 있으나, 예비 전지셀이 상부가 개방된 구조라면 이에 영향을 주지 않도록 90% 이하로 담지될 수 있다.

이때, 상기 액상 매체는 가진부로부터 인가되는 메가소닉 진동을 예비 전지셀에 전달해주는 매개체로서, 전지셀 트레이에 수납된 예비 전지셀을 담지시켜, 결과적으로 전지셀 트레이와 예비 전지셀 사이의 공간을 채운 상태를 유지할 수 있다.

따라서, 상기 가진부로부터 인가되는 메가소닉 진동의 손실을 최소화하면서 예비 전지셀에 보다 효과적으로 전달될 수 있으며, 상기 예비 전지셀의 모든 부위에 균일하게 전달됨으로써, 전지셀 트레이를 사이에 두고 가진부에 인접한 부위와 같은 특정 부위에 진동이 집중됨으로써 발생할 수 있는 예비 전지셀의 손상 내지 단락 등의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.

이때, 상기 액상 매체는 진동 인가부로부터의 진동을 전지셀 트레이에 수납된 예비 전지셀에 효과적으로 전달할 수 있는 것이라면 그 종류가 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 비용 및 취급의 용이성 등을 고려하였을 때, 물(water)일 수 있다.

또한, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 출원의 발명자들은 또한, 공정 온도를 높이는 경우, 상기 바운더리 레이어를 작게 할 수 있는 바, 상기 전지셀 제조용 전해액 함침 장치에서 공정 온도를 조절할 수 있는 경우, 공정 온도를 높여 더욱 미세한 크기의 기포를 제거할 수 있음을 확인하였다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는 온도 조절부를 더 포함할 수 있으며, 그 구조는 한정되지 아니하고, 가진부에 포함되어, 가진부를 통해 예비 전지셀 및/또는 액상매체에 열을 가할 수도 있으며, 전지셀 트레이와 가진부를 내장하는 챔버를 더 포함하고, 상기 챔버가 온도 조절이 가능한 것일 수 있다.

이때, 전지셀의 다른 구성요소들에는 영향을 주면 안되므로, 상기 온도는 섭씨 20도 내지 70도일 수 있다.

따라서, 액상 매체가 포함되는 경우, 액상 매체의 온도는 섭씨 20도 내지 70도일 수 있다.

더 나아가, 상기 효과를 극대화할 수 있도록, 예비 전지셀은 트레이 내에서 위/아래 수직 방향으로 이동할 수 있다. 이와 같은 스위핑(Sweeping)을 통해, 예비 전지셀의 모든 위치에서 메가소닉의 효과를 극대화 시킬 수 있다.

이는, 메가소닉의 영향은 예비 전지셀과 가진면 간 거리에 따라 달라질 수 있는데, 이때 예비 전지셀의 길이에 길기 때문에 예비 전지셀의 여러 위치에서 영향이 차이가 날 수 있기 때문에 상기와 같은 움직임으로 이러한 문제를 완전히 해결하여 효과를 극대화할 수 있는 것이다.

또한, 상기 액상 매체에는 초음파 혼 등의 진동자가 함께 담지되어 예비 전지셀에 추가 진동을 부가할 수도 있다.

더욱이, 본 발명의 일 구현예에 따르면 전해액 함침 효과를 더욱 향상시키기 위해, 전지셀 트레이의 상면에서 추가적으로 진공이 가해질 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면,

a) 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스 내부에 수납한 상태에서 밀봉함으로써 예비 전지셀을 제조하는 과정;

b) 상기 예비 전지셀을 전해액 함침 장치의 전지셀 트레이에 수납하는 과정; 및

c) 상기 예비 전지셀에 가진부를 통한 메가소닉(megasonic) 진동을 인가하는 과정;

을 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치를 이용한 전지셀의 제조 방법이 제공된다.

이때, 상기 예비 전지셀들의 수납 형태, 전지셀 트레이의 구조, 메가소닉 진동 방법 등은 상기에서 설명한 바와 같다.

또한, 상기에서 설명한 바와 같이, 바운더리 레이어를 작게하여 미세 크기의 기포까지 제거하기 위해, 메가소닉 진동 이외에 과정 c)를 섭씨 20도 내지 70도, 상세하게는, 30도 내지 70도, 더욱 상세하게는 40도 내지 60도에서 수행할 수 있다.

그리고, 전지셀 트레이 내부에 액상 매체를 포함하고, 예비 전지셀은 외부 표면적을 기준으로 적어도 5% 이상이 액상 매체에 담지되도록 할 수도 있고, 이때 메가소닉 진동 외에 액상 매체에 초음파 진동의 함께 부가할 수 있으며, 및/또는 온도를 상기 범위로 할 수도 있다.

더 나아가, 상기 과정 c)에서 전해액 함침과 기포 제거를 더욱 원활하게 하기 위해 예비 전지셀들에 진공이 인가될 수 있다. 이 경우, 예비 전지셀들의 상부가 개방된 형태라면 바로 기포 제거가 원활하게 이루어질 수 있으며, 폐쇄된 형태라면 기포를 한군데로 포집하는 효과가 극대화될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는, 예비 전지셀에 메가소닉 진동을 부가함으로써, 상기 진동으로 인한 전극조립체와 전해액의 직접적인 물리적 접촉을 증가시켜 전해액 함침성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 작은 크기의 기포 제거도 가능한 바, 전지셀 내부 기포를 효과적으로 제거 가능하므로, 전지셀의 용량 저하를 방지하고, 안전성도 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 또한 전지셀의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.

더욱이, 예비 전지셀을 액상 매체에 담지하고, 온도를 높이거나, 추가적인 진동을 부가하거나, 이동부를 추가, 진공을 인가하는 등의 방법으로, 더욱 작은 크기의 미세한 기포까지 효과적으로 제거할 수 있다.

도 1은 종래 전지셀 내부에 기포가 발생한 사진이다;
도 2는 각 진동의 바운더리 레이어와 제거 가능한 기포 사이즈를 도시한 사진 및 그래프이다(에서 차용);
도 3은 메가소닉 진동에 의해 기포가 제거되는 과정을 도시한 모식도이다(에서 차용);
도 4는 전지셀 트레이에 원통형 전지셀이 수납되는 형태를 도시한 모식도이다;
도 5는 전지셀 트레이에 각형 전지셀이 수납되는 형태를 도시한 모식도이다;
도 6은 전지셀 트레이에 파우치형 전지셀에 수납되는 형태를 도시한 모식도이다;
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 11은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 12는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 13은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 14는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 15는 실시예 1 및 비교예 1의 실험방법을 나타낸 사진이다.
도 16은 실험예 1에 따른 비교 사진이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 7 및 도 8에는 본 발명의 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도들이 도시되어 있다.

먼저, 도 7을 참조하면, 전해액 함침 장치(100)은 하나 이상의 예비 전지셀들(111, 112, 113)이 수납되는 전지셀 트레이 전지셀 트레이(120)와 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해있고, 메가소닉 진동소자들(131)을 내부에 포함하는 메가소닉 진동 가진부(130)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.

전지셀 트레이(120)는 지면을 기준으로 상면이 개방된 상태에서, 하면 방향으로 오목하게 만입된 형상으로 이루어져 있으며, 하부가 폐쇄되어 가진부(130)가 전지셀 트레이(120)의 하면에 대면하여 고정되어 있다.

따라서, 예비 전지셀들(111, 112, 113)은 전지셀 트레이(120)의 개방된 상면을 통해 보다 용이하게 수납 및 제거될 수 있으며, 메가소닉 진동은 전지셀 트레이(120)에 인가되어 예비 전지셀들(111, 112, 113)에 전달되는 구조로 가진다.

또한 가진부에는 하나 이상의 메가소닉 진동소자(131)를 포함하며, 이들은 소정의 간격을 두고 이격되어 있다.

도 8을 참조하면, 전해액 함침 장치(200)의 전지셀 트레이(220)가 하부가 개방되어 있는 구조로 이루어져 있어, 가진부(230)가 예비 전지셀들(211, 212, 213)에 직접 접촉된 상태에서 메가소닉 진동을 인가하는 점을 제외하고는 도 7과 동일하다.

따라서, 메가소닉 진동을 예비 전지셀들에 가할 수 있고, 이에 따라, 전해액 함침을 용이하게 할 뿐 아니라, 작은 크기의 기포까지 제거 가능하다.

도 9 내지 도 13에는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따라 예비 전지셀들이 액상 매체에 담지된 구조의 전지셀 제조용 전해액 함침 장치들이 도시되어 있다.

도 9를 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(300)은, 하나 이상의 예비 전지셀들(311, 312, 313)이 수납되는 전지셀 트레이 전지셀 트레이(320)와 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해있고, 메가소닉 진동소자들을 내부에 포함하는 메가소닉 진동 가진부(330)를 포함하며, 예비 전지셀들(310)은 전지셀 트레이에 수납된 상태에서, 액상 매체(340)에 완전히 담지되어 있다.

이때, 상기 액상 매체(340)는 물일 수 있으며, 액상 매체(340)의 온도를 높임으로써 예비 전지셀들(311, 312, 313)의 내부 온도를 높여 바운더리 레이어를 더욱 낮출 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 온도조절부를 더 포함하는 전해액 함침장치가 도 10 및 도 11에 모식적으로 도시되어 있다.

도 10을 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(400)은 온도 조절부(432)를 더 포함하며, 온도 조절부(432)가 열선의 형태로 가진부(430)에 포함되어 있는 점을 제외하고는 도 9과 동일한 구조를 가진다.

한편, 도 11의 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(500)은 온도 조절이 가능한 챔버(550)를 온도 조절부로서 포함하는 구조를 가진다.

이와 같이 온도 조절부를 더 포함하여, 예비 전지셀들의 내부 온도를 높임으로써 바운더리 레이어를 더 낮출 수 있다.

더욱이, 도 12 내지 도 14에는 기포 제거를 더욱 원활하게 하기 위한 추가적인 장치가 부가된 전지셀 제조용 전해액 함침 장치들이 도시되어 있다.

먼저, 도 12를 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(600)은, 도 9와 동일하게 예비 전지셀들(611, 612, 613)이 액상 매체(640)에 담지된 구조를 가지면서 액상 매체(640)는 초음파 혼(641)의 진동자가 함께 담지되어 예비 전지셀들(611, 612, 613)에 추가 진동을 부가한다.

따라서, 전해액 함침성과, 기포 제거 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 도 13을 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(700)은, 예비 전지셀들(711, 712, 713)을 수직 방향으로 이동시키는 이동부(750)를 더 포함하여, 예비 전지셀들(711, 712, 713)을 수직 방향으로 스위핑 시켜 예비 전지셀들(711, 712, 713)에 전체적으로 유사한 진동이 가해질 수 있게 하여, 특정 부위에 진동이 집중됨으로써 발생할 수 있는 예비 전지셀의 손상 내지 단락 등의 문제점을 효과적으로 예방하면서 본 발명에 따른 효과를 극대화할 수 있다.

마지막으로, 도 14를 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(800)은, 진동 인가부(850)를 더 포함하여, 예비 전지셀들(811, 812, 813)에 진공을 가함으로써 본 발명에 따른 효과를 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

<실시예 1>

직경 18mm, 높이 65mm의 젤리롤 전극조립체(18650 HB7, LG화학사)를 메스실린더에 넣은 후, 메스실린더 눈금에 전해액이 30ml가 찰때까지 주입하였다(이는, 상기 젤리롤 전극조립체를 완전히 담지시킬 정도의 양이다). 전해액은 1M LiPF6 이 녹아 있는 EC:EMC:DMC = 3:3:4(Vol%)의 전해액을 사용하였다.

상기 젤리롤 메스실린더를 메가소닉 진동자가 부착된 트레이에 세워놓고 메스실린더가 적당히 찰 정도로(약 18ml 눈금) 트레이에 물(25℃)을 채워 넣었다.

상기 이차전지에 도 9에서 도시한 바와 같이 메가소닉 진동(1MHz)을 60분 동안 가하였다. (도 15 좌측 도면 참조)

<비교예 1>

메가소닉 진동을 가하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 같이 수행하였다(도 15 우측 도면 참조).

<비교예 2>

메가소닉 진동 대신 초음파 혼을 이용하여 초음파 진동(100kHz)을 60분동안 부가한 것을 제외하고, 실시예 1과 같이 수행하였다.

<실험예 1>

실시예 1, 및 비교예 1 내지 2의 젤리롤 전극조립체를 펼쳐 전해액 함침 여부 및 전극 손상여부를 확인하기 위해 사진을 찍어, 그 결과를 도 16에 나타내었다.

도 16을 참조하면, 메가소닉을 가한 실시예 1의 경우, 양극과 음극 사이에 있는 분리막 쪽에 전해액 침투가 잘 되어 있는 반면, 비교예 1의 경우, 가운데 내측은 전해액 함침이 잘 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있다. (가운데 Stripe 무늬 확인)

한편, 초음파 진동을 가한 비교예 2의 경우는 전극층이 많이 손상된 것을 알 수 있다. 결국 초음파는 전해액 침투는 잘되나, 전극층도 큰 충격을 받아 쓰기 어렵게 만든다. (도 16 아래 도면 참조)

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

1. 전지셀 내의 전극조립체에 대한 전해액의 함침(wetting)을 향상시키기 위한 장치로서,
   하나 이상의 예비 전지셀이 수납되는 전지셀 트레이(tray); 및
   상기 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해 있고, 예비 전지셀이 수납된 상태에서, 예비 전지셀에 500 kHz 내지 3000 kHz의 진동수를 가지는 메가소닉(Megasonic) 진동을 인가하는 가진부;
   를 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 트레이는 하부가 개방되어 있고, 상기가진부는 예비 전지셀에 직접 접촉된 상태에서 메가소닉 진동을 인가하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 트레이는 하부가 폐쇄되어 있고, 상기 가진부는 전지셀 트레이의 하면에 대면하여 고정되어 전지셀 트레이에 메가소닉 진동을 인가함으로써, 상기 메가소닉 진동이 예비 전지셀에 전달되는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 전지셀은 전지셀 트레이에 수납된 상태에서 액상 매체에 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 액상 매체는 물(water)인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 액상 매체의 온도는 섭씨 20도 내지 70도인 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는 온도 조절부를 더 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 온도 조절부는, 가진부에 포함되어 있는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 온도 조절부는, 상기 전지셀 트레이와 가진부를 내장하는 챔버이고, 상기 챔버는 온도 조절이 가능한 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
11. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는 예비 전지셀을 지면을 기준으로 수직 이동하게 하는 이동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
12. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는 전지셀 트레이의 상면에 진공 인가부를 포함하고, 예비 전지셀들에 추가적으로 진공이 가해지는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
13. 제 1 항에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치를 이용한 전지셀의 제조 방법으로서,
    a) 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스 내부에 수납한 상태에서 밀봉함으로써 예비 전지셀을 제조하는 과정;
    b) 상기 예비 전지셀을 전해액 함침 장치의 전지셀 트레이에 수납하는 과정; 및
    c) 상기 예비 전지셀에 가진부를 통한 메가소닉(megasonic) 진동을 인가하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 전지셀 트레이 내부에 액상 매체를 포함하고, 예비 전지셀은 액상 매체에 담지되는 전지셀 제조 방법.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 과정 c)는 예비 전지셀에 진공이 인가되며 수행되는 전지셀 제조 방법.
    

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