KR20030048261A - 전해액 주입방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고용량의 전극 조합체를 수납한 전지 캔에 신속하고 효과적으로 전해액을 주입할 수 있도록 하기 위한 것으로, 양극, 음극 및 세퍼레이터를 갖는 전극 조합체가 수납된 캔의 전해액 주입구에 전해액 포트를 연결하는 연결 공정과, 상기 전해액 포트 및 캔에 전해액을 공급하는 공급 공정과, 상기 전해액 포트 및 캔 내부를 감압시켜 이를 유지하고 다시 대기압으로 승압시키는 진공 단계와, 상기 전해액 포트 및 캔 내부를 가압시켜 이를 유지한 후 대기압으로 감압하는 가압 단계로 이루어지되, 상기 가압 단계는 적어도 2회 이상 반복되도록 하는 주입 공정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전해액의 주입방법에 관한 것이다.

Description

전해액 주입방법{Injecting method of electrolyte}

본 발명은 전지의 전해액 주입방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지의 박형 고용량화에 따른 고용량 전극 활물질을 채용한 이차 전지에 있어서, 보다 빠른 시간 내에 효율적으로 전해액을 주입할 수 있는 전해액 주입방법에 관한 것이다.

통상적으로 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다. 또한 이차 전지는 전극 조립체를 수용하고 있는 케이스의 외관에 따라서 원통형과 각형 전지로 구분할 수 있다.

이러한 이차 전지는 최근 전자 기기의 무선화가 가속화되고, 휴대용 전화기, 휴대용 카메라 등의 포터블 기기의 보급이 늘어나면서 소형이면서도 고용량의 전지로 요구되고 있다.

이들 소형 기기의 전원으로서 사용되고 있는 이차 전지는 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 활물질을 도포하여 제조한 양극 및 음극 전극을 세퍼레이터를 개재하여 권취시킨 전극 조합체를 전지 캔에 수납하고 전해액을 주입한 후 밀봉하여 제조되고 있다.

상기와 같은 이차 전지에 있어서 전해액은 이온의 이동 경로를 제공하여 전지 반응이 원활하게 이뤄질 수 있도록 하는 역할을 하는데, 충방전이 반복됨에 따라 전해액 고갈 또는 그 분포의 변화등으로 인해 전지의 수명 특성이 열화되는 등의 이유로 그 역할이 매우 중요하다.

이러한 전해액의 주입은 전지의 수명 및 특성을 결정하는 데 매우 중요한 요소가 되므로, 최적의 양으로 주입하여야 하며, 이러한 최적의 양을 공정상의 오차 없이 주입하는 것이 필요하다. 그리고 전체 전지 생산공정에 있어서 가급적 빠른 시간내에 전해액을 주입하여야 하는 과제가 있게 된다.

종래, 통상적으로 사용되는 전해액 주입방법으로는 상압(常壓) 주입법, 원심 주입법, 진공 주입법이 있었다.

이중, 상압 주입법은 상압의 조건하에서 전극 조합체가 수납된 캔에 25 내지 35% 농도의 알칼리 전해액을 서서히 주입함으로써 행해진다. 그러나, 이 방법은 전해액의 농도가 높을수록 전도성은 증가하지만 유동성이 감소하여 극판 내부로 전해액이 스며드는 속도가 느려지기 때문에 전해액의 총 주입 시간이 지나치게 많이 소요되어 생산성이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 원심 주입법은 원심 주입기를 이용하여 전해액을 주입하는 것이나, 그 설비 구성이 복잡해지고, 비용이 많이 소요될 뿐 아니라 전해액 주입량이 최적 주입량의 85 내지 90% 정도에 불과하기 때문에 전지의 성능 저하를 일으킨다는 문제점이 있다.

이러한 문제들로 인하여 최근에는 전해액 주입방법으로 진공 주입법을 많이 사용하고 있다.

전해액의 주입방법으로서 사용되는 진공 주입법에는 다양한 방법들이 소개되고 있는 데, 대표적인 것으로 전해액 주입구에 주입 노즐을 부착하고, 전해액 주입 장치의 배기수단을 통해 캔 내부를 진공으로 만든 후 소정량의 전해액을 공급하면, 캔 내부의 기압과 대기압의 압력차에 의해 전해액이 캔 내부로 주입되는 방법이 있다.

그러나, 이러한 방법은 캔 내부로 주입되는 전해액이 전극 조합체에 침투하는 데에 장시간이 소요되는 문제가 있었다.

한편, 일본특허공개공보 특개평7-99050호에는 전해액을 주입해야 할 전지를 챔버 내에 설치하고, 주입 노즐로부터 챔버 내의 전지에 연결된 전해액용기에 소정량의 전해액을 충전한 후, 챔버 내부를 감압하여 전해액 용기 및 전극 조합체의 공기를 제거한 후에, 대기압으로 돌려 더욱 가압하여 전해액을 캔 내부로 주입하는 장치가 개시되어 있다.

또한, 일본특허공개공보 특개2001-110400호에는 전해액 주입구를 제외하고 밀폐한 전지캔 내부에 전해액을 주입하는 전해액 주입 방법에 있어서, 전지 캔 내를 미리 정한 감압도까지 배기함과 동시에 주입해야할 소정량의 전해액을 전해액 포트에 저류한 후에, 전해액 포트 내의 전해액을 캔 내로 주입함과 동시에, 또는 주입한 후에 전해액 포트 내에 가압 기체를 공급하여 전해액을 가압해 전지캔 내로 주입하는 전해액 주입 장치 및 그 방법이 개시되어 있다.

상기와 같은 여러가지 전해액 주입장치 및 주입 방법에 있어서는 1회의 진공과 1회의 가압으로 전해액을 주입하는 것이다.

그러나, 이러한 방법은 최근들어 원가 절감, 전지의 고용량화에 따라 많이 사용되고 있는 고용량의 활물질을 채용한 전극 조립체를 수납하는 캔에는 적용하기가 곤란한 문제가 있다. 곧, 고용량의 전극 활물질이 도포된 전극 조립체에는 단일의 진공과 단일의 가압에서는 전해액이 제대로 침투하지 못하게 되어, 전해액의 양을 적정량으로 조절하기가 어렵게 된다. 또한 이러한 방법에 있어, 전해액을 적정량으로 주입하기 위해서는 주입시간을 길게 가져가야 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고용량의 전극 조합체의 경우에 있어서 단시간 내에 효과적으로 전해액을 주입할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전해액 주입방법을 수행하도록 구성된 전해액 주입장치의 개략적인 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입방법의 주입공정을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전해액 주입방법의 주입공정을 나타내는 도면.

< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >

10: 전지 캔11. 캡 부재

12: 전해액 주입구21: 주입 포트

22: 주입 노즐23: 오링

24: 저장조25: 공급 수단

26: 공급 밸브27: 가압 및 진공 밸브

28: 가압 수단29: 진공 수단

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 양극, 음극 및 세퍼레이터를 갖는 전극 조합체가 수납된 캔의 전해액 주입구에 전해액 포트를 연결하는 연결 공정과, 상기 전해액 포트 및 캔에 전해액을 공급하는 공급 공정과, 상기 전해액 포트 및 캔 내부를 감압시켜 이를 유지하고 다시 대기압으로 승압시키는 진공 단계와, 상기 전해액 포트 및 캔 내부를 가압시켜 이를 유지한 후 대기압으로 감압하는 가압 단계로 이루어지되, 상기 가압 단계는 적어도 2회 이상 반복되도록 하는 주입 공정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전해액의 주입방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 주입 공정은 적어도 2회 반복되는 진공 단계를 포함하도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 주입 공정은 1회의 진공 단계와 1회의 가압 단계가 순차로 행해지며, 상기 순차로 행하여지는 진공 및 가압 단계가 적어도 2회 반복되도록 하도록 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전해액 주입방법을 수행하기 위한 전해액 주입장치의 개략 구성도이다.

그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 전해액 주입방법을 실시하기 위한 주입장치는 양극과 음극이 세퍼레이터를 개재하여 권취된 전극 조합체(14)가 수납된 전지 캔(10)에 연결되어 직접적으로 전해액을 주입한다.

전지 캔(10)에는 그 내부로 전극 조합체(14)가 수납되고 상부의 개구부로 소정의 단자부 등을 구비한 캡 부재(11)가 용접되어 밀봉된다. 이 캡 부재(11)에는 상기 전지 캔(10) 내부로 전해액을 주입할 수 있도록 전해액 주입구(12)가 형성되어 있고, 이 전해액 주입구(12)로 상기 전해액 주입장치의 주입 노즐(22)이 외부와 기밀이 유지되도록 연결된다. 이러한 기밀 유지는 주입 노즐(22)의 첨단에 결합되어 있는 오링(O-ring:23)에 의해 이루어질 수 있다.

주입 노즐(22)에는 직접적으로 전해액을 주입하도록 할 수 있는 주입 포트(21)가 연결되어 있고, 이 주입 포트(21)의 상부에는 외부의 가압 수단(28) 및 진공 수단(29)과 연결되어 가압 및 진공을 조절하는 가압 및 진공 밸브(27)가 연결되어 있다.

한편, 주입 포트(21)의 외부에는 전해액을 저장할 수 있는 전해액 저장조(24)가 설치되어 있고, 이 저장조(24)로부터 공급수단(25) 및 공급 밸브(26)를 통해 주입 포트(21)로 전해액이 공급된다.

상기와 같은 구조를 갖는 전해액 주입장치를 이용하여 전해액을 주입하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 상기 구조의 전해액 주입장치에 있어, 주입 노즐(22)이 전지 캔(10)의 전해액 주입구(12)에 연결하고, 공급 밸브(26)를 열여 저장조(24)로부터 공급수단(25)을 통해 주입포트(21)로 전해액을 공급한다. 이때, 주입포트(21)에 공급된 전해액은 자중에 의해 주입 노즐(22)을 통과하여, 전지 캔(10) 내부로 공급되게 된다.

소정의 양만큼 공급이 완료되고 나면, 공급 밸브(26)가 닫히면서 공급이 중단되고, 전해액은 전지 캔(10)의 내부 및 주입 포트(21)의 소정 부위까지 차 있게 된다. 이 때 캔(10) 내부에 공급되어 있는 전해액은 전극 조합체(14)의 극판들 사이 및 기타 여러 공간들 사이에 끼여 있는 공기 기포들로 인해 충분히 스며들지 못한 상태가 되고, 따라서 공급되어야 할 전해액은 주입 포트(21) 내에 남아 있게 되는 것이다.

이러한 상태에서 전해액을 캔 내부로 주입시키는 주입공정을 실시한다. 주입공정은 주입 포트와 캔 내부를 감압시켜 이를 유지하고 다시 대기압으로 승압시키는 진공 단계와, 상기 전해액 포트 및 캔 내부를 가압시켜 이를 유지한 후 대기압으로 감압하는 가압 단계로 이루어지며, 이 진공 단계와 가압 단계를 적절히 배합시켜 수행한다. 이 때, 상기 가압 단계는 적어도 2회 이상 반복되도록 할 수 있으며, 또한 상기 진공 단계가 적어도 2회 반복되도록 할 수 있다.

도 2 및 도 3은 상기 주입 공정을 보다 상세히 설명하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 전해액 주입방법을 나타낸 것으로, 도 2 및 도 3에서 도면부호 "S"는 상기 설명한 전해액의 공급 공정을 나타내는 것이고, "I"는 전해액의 주입 공정을 나타내는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예에 의한 전해액 주입방법은 크게 전해액 주입구(12)에 주입 포트(21)를 연결하는 공정, 이 주입 포트(21) 및 전지 캔(10)에 전해액을 공급하는 공정 및 전지 캔(10) 내부로 전해액을 주입하는 주입 공정으로 구성되어 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하면, 상기 공정들 중에서 전해액 공급 공정(S) 및 전해액 주입 공정(I)이 도시되어 있다. 이하 이에 대해 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도 2와 같이 전해액을 주입 포트와 전지 캔에 공급한 후에, 도 1의 진공수단(29)을 이용하여 주입 포트(21) 상부로부터 미리 정해둔 압력까지 감압을 시킨다. 이러한 감압 단계(V)는 대기압 상태의 포트 및 캔을 소정의 압력까지 감압시키는 단계(31)와 이 감압된 상태를 유지하는 단계(32) 및 다시 대기압까지 승압시키는 단계(33)로 구성되어 있다.

이러한 감압 단계(V)에 의해 전지 캔 내부의 미세 공간을 차지하고 있던 공기 기포들 및 전해액 내의 공기들을 제거할 수 있게 되고, 전해액이 캔 내부로 보다 쉽게 스며들 수 있도록 한다.

감압 단계(V)가 끝나면, 도 1의 가압 및 진공 밸브(27)를 전환하여 가압수단(28)에 의해 전지 캔(10) 내부와 주입 포트(21) 내부에 소정의 압력을 가하는 가압 단계(P1)(P2)(P3)(P4)를 수행한다.

이 가압 단계는 미리 정한 대기압 이상의 압력까지 압력을 상승시키는단계(34)와 이 승압 상태를 유지하는 단계(35) 및 다시 대기압 상태로 압력을 낮추는 단계(36)로 구성된다.

도 2와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 감압 단계(V)가 끝난 후에 가압 단계(P1)(P2)(P3)(P4)를 4차례 반복적으로 수행하여 주입 포트 내에 잔류되어 있던 전해액이 캔 내부로 효과적으로 주입될 수 있도록 한다.

이 때, 상기와 같이 가압 단계를 반복적으로 수행하는 것은 감압에도 불구하고 잔류되어 있는 공기와의 충돌을 최소한으로 하고, 전해액이 전극 조합체의 사이로 보다 잘 스며들 수 있도록 하기 위한 것이며, 이러한 가압 단계의 반복 수행으로 인해 전해액의 주입은 보다 신속하게 이루어질 수 있게 된다.

상기와 같은 전해액의 신속한 주입은 도 3과 같이 첫 번째의 감압 단계(V1) 후에 가압(P1)하고, 다시 두 번째 감압 단계(V2)를 실시한 후 두 번의 가압 단계(P2)(P3)를 실시함에 의해서도 얻어질 수 있다.

곧, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 의한 전해액 주입 방법에 의하면, 상기와 같이 전해액 공급 공정(S) 후에, 1차 감압(V1)을 행하여 전지 캔 내부 및 전해액 내부의 공기를 제거하고, 소정 량의 공기가 제거된 후에 1차 가압(P1)을 행하여 전해액을 전지 캔 내부로 1차로 스며들게 한다. 그 다음에, 2차로 감압(V2)을 행하여 캔 내부의 잔류 공기를 제거하고, 2차 및 3차 가압(P2)(P3)을 통해 전해액이 완전히 스며들 수 있도록 하는 것이다.

이렇게 전해액 주입 공정(I)에 있어 감압 단계를 나누어 실시하고, 그 사이에 가압 단계를 집어 넣은 것은 한 번의 감압으로 캔 내부의 공기를 제거하기 위해무리하게 감압을 수행할 경우에는 주입 포트 내의 전해액이 감압과 함께 가압 및 진공 밸브로 빨려 올라갈 수 있기 때문이다.

따라서, 도 3과 같이 먼저 소정의 시간으로 감압 단계(V1)를 수행하여 캔 내부의 공기 및 공극을 줄인 다음, 공기가 빠져 나간 자리를 가압 단계(P1)에 의해 전해액으로 채워 넣는 것이다. 그리고, 다시 감압 단계(V2)를 수행하여 캔 내부에 잔류되어 있는 공기 등을 재차로 재거한 다음, 적어도 2회 이상의 가압 단계를 실시하여 전해액을 캔 내부에 주입시키면, 빠른 시간내에 소정 량의 전해액을 모두 주입할 수 있게 된다.

이상에서는 도 1과 같은 전해액 주입장치를 이용하여 전해액을 주입하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한 것이나, 상기 설명된 본 발명에 따른 전해액 주입 방법은 도 1과 같은 전해액 주입장치에서만 한정되는 것은 아니며, 주입 포트를 통해 캔에 전해액을 주입하고, 가압수단과 진공수단을 구비한 어떠한 주입장치의 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전지 캔 내부로 전해액을 보다 신속하게 주입할 수 있게 된다.

또한, 전지 캔 내부에 수납되는 전극 조합체에 고밀도의 활물질이 도포 또는 충전되어 있는 경우에도, 전해액의 주입이 보다 원활히 이뤄질 수 있으며, 또한 주입 시간도 단축될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 이로부터 다양한 변형 및, 균등한 타 실시예를 용이하게 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (3)

1. 양극, 음극 및 세퍼레이터를 갖는 전극 조합체가 수납된 캔의 전해액 주입구에 전해액 포트를 연결하는 연결 공정;

   상기 전해액 포트 및 캔에 전해액을 공급하는 공급 공정; 및

   상기 전해액 포트 및 캔 내부를 감압시켜 이를 유지하고 다시 대기압으로 승압시키는 진공 단계와, 상기 전해액 포트 및 캔 내부를 가압시켜 이를 유지한 후 대기압으로 감압하는 가압 단계로 이루어지되, 상기 가압 단계는 적어도 2회 이상 반복되도록 하는 주입 공정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전해액의 주입방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 주입 공정은 적어도 2회 반복되는 진공 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액의 주입방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 주입 공정은 1회의 진공 단계와 1회의 가압 단계가 순차로 행해지며,상기 순차로 행하여지는 진공 및 가압 단계가 적어도 2회 반복되도록 하는 것을 특징으로 하는 전해액의 주입방법.