KR20050036632A - 파우치형 리튬 이차 전지 제조 방법 - Google Patents

Abstract

리튬 이차전지 제조 방법이 개시된다.

본 발명은 홈이 형성되는 파우치형 베어 셀 전지를 형성하는 단계, 베어 셀 전지에서 전극 탭이 형성된 변과 이어지는 양 측 두변의 가장자리 영역을 홈이 형성된 방향과 반대 방향으로 절곡하는 단계, 베어 셀 전지에 보호회로 구조체를 부착하여 코어 팩 전지를 형성하는 단계, 코어 팩 전지를 하드 케이스 내에 장착하여 하드 팩 전지를 형성하는 단계를 구비하여 이루어진다.

따라서, 파우치형 리튬 이차전지에서 금속 포일이 노출된 파우치 단부가 코어 팩을 이루는 보호회로 구조체, 하드 케이스 내부에 장착된 부속 회로 가운데의 도전체 등을 통해 음극 탭과 단락되어 파우치의 금속 포일이 부식되는 현상을 방지할 수 있다.

Description

파우치형 리튬 이차 전지 제조 방법 {Method of fabricating pouch type lithium secondary battery}

본 발명은 리튬 이온을 이용하는 리튬 이차 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체가 파우치(pouch)에 수용되는 형태를 가지는 파우치형 리튬 이차 전지의 제조 방법에 관한 것이다.

리튬 이차 전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머이거나, 리튬염이 유기 용매에서 해리된 액상일 수 있다. 리튬 이차 전지를 전해질 종류에 따라 구분해 보면, 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속전지와 리튬 이온전지, 그리고 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다.

완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기 전해액의 누출문제가 없고, 유기 전해액을 함유하는 겔형 리튬 이온 폴리머전지의 경우에는 유기 전해액의 누출문제가 발생될 수 있다. 그러나, 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 비교할 때 리튬 이온 폴리머 전지의 경우 전해액의 누출 문제는 보다 간이한 형태로 방지될 수 있다. 가령, 리튬 이온 폴리머 전지는 금속 포일과 이 포일을 덮는 하나 이상의 폴리머 막으로 구성된 다층막 파우치를 리튬 이온 전지의 금속캔(can) 대신 사용할 수 있다.

다층막 파우치를 사용할 경우에는 금속캔을 사용할 때보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있다. 다층막 파우치에서 포일을 이루는 금속으로 통상 알루미늄이 이용된다. 파우치막 내층을 이루는 폴리머막은 전해질로부터 금속 포일을 보호함과 아울러, 양극과 음극, 그리고 전극 탭들 사이의 단락(短絡)을 방지한다.

도1은 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.

도1을 참조하여 파우치형 리튬 이차 전지의 일반적 형성 방법을 살펴보면, 우선, 직방형 파우치막을 중간을 접철하여 파우치의 상부(10) 및 하부(20)를 이룬다. 하부(20)에는 프레스(press) 가공 등을 통해 전극 조립체가 수용될 수 있는 홈(21)이 형성된다.

통상의 전극 조립체(30)는 양극(31), 세퍼레이터(33), 음극(35)의 순서로 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리 롤(Jelly Roll)로 형성한다. 젤리 롤을 권취 형성할 때 양극과 음극의 단락을 막기 위해 롤(roll)의 외부로 드러나는 전극면 혹은 내부 전극면에는 세퍼레이터가 덧붙여진다. 형성된 젤리 롤은 파우치막의 하부 홈(21)에 놓여지고 가장자리부를 밀착시킨 상태에서 가열 가압하여 파우치 밀봉을 실시한다.

전극 조립체(30)의 양극(31)과 음극(35)을 파우치 외부와 전기적으로 연결하기 위해 양극(31) 및 음극(35)의 일 측에는 전극 탭(37,38) 혹은 전극 리드가 형성된다. 이들 전극 탭(37,38)은 젤리 롤이 권취되는 방향과 수직 방향으로 젤리 롤에서 돌출되도록 형성되고, 파우치의 밀봉되는 한 변을 통과하여 인출된다.

파우치 밀봉 과정에서 파우치 내면의 폴리머막(11)과 전극 탭(37,38)을 이루는 금속 사이의 접착을 강화하기 위해 폴리머막 표면에 특정 성분을 함유시키거나, 밀봉전 접착성이 좋은 성분을 가진 별도의 테이프(39)를 전극 탭(37,38)이 파우치와 접착되는 부분의 전극 탭에 부착시킬 수도 있다.

파우치 밀봉이 이루어져 형성된 베어 셀(bare cell)에 도시되지 않은 보호 회로 기판(PCM:protecting circuit moudule)이나 PTC(positive temperature coefficient)같은 부속품 혹은 구조체가 부착되어 코어 팩(core pack)이 형성된다.

그리고, 코어 팩을 하드 케이스에 내장하여 결합시키면 완성된 하드 팩 전지가 형성된다. 하드 케이스는 그 내측에 별도의 회로나 도전체부 없이 폴리프로필렌 수지 등을 이용하여 형성할 수 있으나, 전지가 사용되는 기기의 특성에 따라 하드 케이스 내부에 별도의 부속회로 기타 도전체부를 가지는 경우가 있다.

도2는 종래의 베어 셀 상태에서 전극 탭이 인출되지 않는, 마주보는 두 변의 가장자리를 접은 상태를 나타내는 사시도이다.

도2를 참조하여 설명하면, 베어 셀 상태에서 주변에 플랜지처럼 형성된 가장자리부(23), 특히, 전극 리드가 관통하는 변 외의 마주보는 두 변의 가장자리 부분을 그대로 하여 하드 팩을 형성하면 하드 케이스 내에서 이들 부분은 필요없는 공간을 차지하게 된다. 따라서, 베어 셀에서 코어 팩 상태를 형성하면서 가장자리부(23)를 전극 조립체가 내장되는 홈이 형성된 쪽으로 접는 가공이 이루어진다.

그런데, 파우치(100)의 단부에는 별도의 테이핑 작업이 없다면 파우치막 중간층을 이루는 알미늄 포일이 드러난 상태이다. 그리고, 코어 팩을 형성할 때 전지의 부피를 줄이기 위해 보호회로 기판(51)은 접힌 가장자리부(23) 사이의 공간 가운데 전극 조립체가 내장된 홈이 차지하지 않는 공간에 설치된다. 그 결과, 코어 팩을 형성하는 단계에서 보호회로 기판(51)의 도전부를 통해 음극 탭(38)의 구리와 파우치막의 알미늄 포일이 전기적으로 접속될 수 있다.

또한, 코어 팩 상태에서 직접 음극 탭(38)과 파우치막의 알미늄 포일이 접속되지 않는 경우에도 보호회로 기판(51) 일부와 알미늄 포일 사이의 전기접속이 이루어질 수 있다. 이런 상태에서 코어 팩을 하드 케이스에 장입할 때 하드 케이스 내의 회로부 기타 도전부, 보호회로 기판을 차례로 거쳐 혹은 하드 케이스 내의 도전부만을 거쳐 파우치 단부에 드러난 알미늄 포일이 음극에 전기 접속될 수 있다.

일단 직 간접적으로 파우치막의 알미늄 포일과 구리판을 포함하는 음극이 접속되면 전기 화학 작용에 의해 파우치막의 알미늄 포일이 부식을 일으킬 수 있고, 특히, 파우치에서 전해액 누출이 발생하거나 습기가 찰 경우 부식은 가속되다.

수분과 산소의 베리어(barrier)로 작용하는 알미늄 포일이 계속 부식되면 파우치막은 더이상 수분과 산소의 파우치 내로의 유입을 막을 수 없다. 금속을 통한 물분자 및 산소 분자의 확산은 극히 낮지만, 폴리머막을 통한 물분자 및 산소 분자의 확산은 시간의 증가와 함께 커지게 되기 때문이다. 파우치의 차단 능력이 떨어지면서 전지는 이상을 일으킬 수 있다. 즉, 세퍼레이터의 유기 전해액이 증발되거나 외부 수분이나 산소가 유입되면 파우치에 가스 발생으로 인하여 압력이 증가하는 스웰링(swelling) 현상 등 이상이 발생할 수 있고 이런 이상 현상은 전지의 성능 열화와 수명 단축을 초래한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 제거하기 위한 것으로, 파우치형 리튬 이차전지에서 다층 파우치막의 한 층을 이루는 금속 포일이 노출된 파우치 단부가, 파우치 상태의 베어 셀에 보호회로 구조체를 설치하거나 보호회로 구조체가 설치된 코어 팩을 하드 케이스에 장착할 때, 보호회로 구조체나 하드 케이스 내의 도전체를 통해 전지의 전극을 이루는 다른 금속과 전기적으로 접속되어 부식을 일으키는 현상을 방지할 수 있는 리튬 이차전지 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파우치형 리튬 이차전지 제조 방법은,

홈이 형성되는 파우치형 베어 셀 전지를 형성하는 단계,

상기 베어 셀 전지에서 전극 탭이 형성된 변과 이어지는 양 측 두변의 가장자리 영역을 상기 홈이 형성된 방향과 반대 방향으로 절곡하는 단계,

상기 베어 셀 전지에 보호회로 구조체를 부착하여 코어 팩 전지를 형성하는 단계,

상기 코어 팩 전지를 하드 케이스 내에 장착하여 하드 팩 전지를 형성하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 홈이 형성되는 파우치형 베어 셀 전지를 형성하는 단계는, 두 부분으로 설정된 파우치막 한 부분인 하부의 중앙에 홈을 형성하는 단계와, 홈에 전극 조립체를 위치시키는 단계와, 상기 두 부분을 나누는 기준변을 중심으로 상기 두 부분을 겹치고, 상기 홈을 제외한 가장자리 영역에서 상기 파우치막을 밀봉하는 단계를 구비하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상기 하드 케이스 내부에 부속 회로 기타 도체부를 설치할 때에는 상기 베어 팩 전지의 홈이 향하는 쪽의 내면에 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 보호회로 구조체는 상기 기준변의 반대편에서 홈을 이루는 벽체 외측과 절곡되지 않은 가장자리가 이루는 공간에 설치하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이차 전지를 형성하는 과정 중 베어 셀에 보호회로 기판이 결합된 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도3의 상태를 형성하는 방법의 일 예를 살펴보면, 먼저 대개 일체로 형성되는 직방형 파우치막을 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 접철하여 파우치의 상부, 하부를 이룬다. 하부에는 프레스(press) 가공 등을 통해 전극 조립체가 수용될 수 있는 홈이 형성된다. 이때, 파우치막은 통상 알미늄 재질의 금속 포일 상하에 폴리 프로필렌 수지 등의 폴리머막을 코팅하여 이루어진 다층구조를 가진다.

통상의 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터, 음극이 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 형성한다. 젤리 롤을 권취 형성할 때 양극과 음극의 단락을 막기 위해 롤(roll)의 외부 혹은 내부 전극면에는 세퍼레이터가 덧붙여진다.

이때, 양극은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알루미늄 호일로 된 양극 집전체의 양면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 코팅하는 방법으로 형성할 수 있다. 양극에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 탭이 전기적으로 연결되어 있다.

음극은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 코팅하여 형성할 수 있다. 코팅은 도전체, 바인더, 기타 함유물이 섞인 페이스트 상태의 활물질을 집전체에 얇게 씌우는 방식으로 이루어질 수 있다. 음극에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 탭이 접속된다.

권취된 젤리 롤(Jelly Roll) 상태의 전극 조립체에서 양극 탭(38) 및 음극 탭(37)은 일정한 간격을 두고 나란하게 배치되며, 젤리 롤이 권취되는 방향과 수직 방향으로 젤리 롤에서 돌출되고, 밀봉된 파우치(100)의 한 변을 통해 파우치를 통과하여 인출된다.

전극 탭(37,38)들은 일반적으로 금속, 대개는 알루미늄, 구리 또는 니켈의 탭 형태를 취한다. 이들은 인식할 수 있을 정도의 전압 강하 없이 전류의 통로가 될 만큼 충분한 두께 및 치수를 가져야 한다.

통상 파우치형을 채택하는 리튬 이온 폴리머 전지는 세퍼레이터와 전해질이 일체를 이루는데, 고분자 고체 전해질은 유기 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형과 겔(Gel)형으로 형성될 수 있다.

파우치 밀봉 과정에서 파우치 내면의 폴리머막과 전극 탭(37,38)을 이루는 금속 사이의 접착을 강화하기 위해 폴리머막 표면에 특정 성분을 함유시키거나, 밀봉전 이들 성분을 가진 별도의 테이프를 전극 탭(37,38)이 파우치와 접착되는 부분에 부착시킬 수도 있다. 이때 테이프는 두 전극과 전극 탭들 사이의 단락을 방지하는 역할도 하게 된다.

한편 다른 실시예에서, 양극 및 음극과, 양극 및 음극 탭(37,38)은 극성을 달리하여 배치될 수 있다.

전극 조립체가 놓인 하부 홈 주위의 가장자리부와 이에 대응되는 파우치막 상부의 가장자리가 밀착된 상태에서 밀착된 부분을 가열 가압하면 내부 폴리머막이 융착하면서 파우치 밀봉이 이루어져 베어 셀이 형성된다.

베어 셀에서 전극 탭이 인출되는 변과 연결되는 양측 변의 가장자리부(43)를 홈이 형성된 방향과 반대 방향으로 절곡한다. 따라서 파우치(100)의 접힌 가장자리부(43)는 파우치(100)의 상부면과 겹치게 된다. 베어 셀의 양극 및 음극 탭(37,38)에 보호회로 기판(51)을 접속시키고 PTC(positive temperature coefficient) 등의 구조체를 부착하여 코어 팩을 형성한다.

이때, 보호회로 기판(51)은 파우치 상,하부를 형성하기 위해 절곡된 부분이 이루는 변의 반대편 즉, 전극 탭(37,38)이 형성된 변에서 홈을 이루는 벽체 외측과 절곡되지 않은 가장자리부가 이루는 공간에 설치된다. 그리고, 전극 탭은 두 번 절곡된 뒤 보호회로 기판(51)의 음극 및 양극 단자에 용접 등의 방법으로 연결된다. 따라서, 보호회로 기판951)과 파우치(100)의 단부는 공간적으로 이격되어 파우치 단부에 드러난 파우치막의 금속 포일과 음극 탭의 단락은 효과적으로 방지될 수 있다.

도4는 본 발명에 따라 형성된 하드 팩 상태의 전지를 전극 조립체의 전극 리드가 인출되는 방향과 수직으로 절단하여 본 개략적 단면도이다.

도4를 참조하여 설명하면, 홈이 형성된 파우치(100) 하부가 향하는 하드 케이스(60)의 내면에 부속 회로(63)가 더 설치되어 있다. 이런 부속 회로(63)의 존재 여부 및 구성은 전지가 사용되는 전기전자 기기의 특성에 따라 결정된다. 하드 케이스(60)의 내부 공간은 전극 조립체가 내부에 설치된 파우치(100)로 채워진다. 파우치(100)의 상부면에는 코어 팩 상태의 전지를 하드 케이스(60) 내면에 안정되게 장착시키기 위한 양면 테이프(65)가 접착되어 있다. 하드 케이스(60)는 통상 폴리 프로필렌 등의 합성수지 재질로 형성된다.

점선으로 나타낸 종래 방식으로 접힌 파우치 양측 가장자리부의 단부, 즉, 금속 포일이 드러난 부분은 하드 케이스(60) 내면의 부속 회로(63)에 있는 도전체 부분과 접촉되기 쉽다. 그리고, 그 도전체 부분이 파우치(100)에서 인출된 미도시된 음극 탭과 직간접으로 접속된다면 금속 포일이 부식되어 전지의 이상을 초래하기 쉽다.

그러나, 본 발명의 방법과 같이 파우치(100)의 양측 가장자리부(43)가 파우치 상면과 겹치게 접히면 파우치(100)의 단부가 하드 케이스(60) 내면의 부속 회로(63) 기타 도전부를 통해 음극과 접속될 가능성이 매우 낮다. 한편, 파우치(100)의 상부면과 하드 케이스(60) 내면은 양면 테이프(65)로 고정되므로 비록 파우치의 접힌 가장자리 부분이 있어도 양면 테이프(65)에 의해 확보되는 공간만을 차지할 뿐이다. 따라서 별도로 공간을 차지하여 전지의 부피를 증가시키는 것도 방지될 수 있다.

본 발명에 따르면, 파우치의 양측 가장자리 부분을 기존과 반대로 접는다는 간단한 공정을 통해 파우치형 리튬 이차전지에서 금속 포일이 노출된 파우치 단부가 코어 팩을 이루는 보호회로 구조체, 하드 케이스 내부에 장착된 부속 회로 가운데의 도전체 등을 통해 파우치의 음극과 단락되어 금속 포일이 부식되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

도1은 종래의 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도,

도2는 종래의 베어 셀 상태에서 전극 탭이 인출되지 않는, 마주보는 두 변의 가장자리를 접은 상태를 나타내는 사시도,

도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이차 전지를 형성하는 과정 중 베어 셀에 보호회로 기판이 결합된 상태를 개략적으로 나타낸 사시도,

도4는 본 발명에 따라 형성된 하드 팩 상태의 전지를 전극 조립체의 전극 리드가 인출되는 방향과 수직으로 절단하여 본 개략적 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 파우치 상부 11: 파우치막

13: 금속 포일 20: 파우치 하부

21: 홈 23,43: 가장자리부

30: 전극 조립체 100: 파우치

31: 양극 33: 세퍼레이터

35: 음극 37: 음극 탭

38: 양극 탭 39: 테이트

51: 보호회로 기판 60: 하드 케이스

63: 부속 회로 65: 양면 테이프

Claims (4)

1. 홈이 형성되는 파우치형 베어 셀 전지를 형성하는 단계;

   상기 베어 셀 전지에서 전극 탭이 형성된 변과 이어지는 양 측 두변의 가장자리 영역을 상기 홈이 형성된 방향과 반대 방향으로 절곡하는 단계;

   상기 베어 셀 전지에 보호회로 구조체를 부착하여 코어 팩 전지를 형성하는 단계;

   상기 코어 팩 전지를 하드 케이스 내에 장착하여 하드 팩 전지를 형성하는 단계;를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 파우치형 베어 셀 전지를 형성하는 단계는,

   두 부분으로 설정된 파우치막 한 부분인 하부의 중앙에 홈을 형성하는 단계;

   상기 홈에 전극 조립체를 위치시키는 단계;

   상기 두 부분을 나누는 기준변을 중심으로 상기 파우치막의 두 부분을 겹치고, 상기 홈을 제외한 가장자리 영역에서 상기 파우치막을 가열 가압 밀봉하는 단계;를 구비함을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 하드 케이스 내부에 도체부를 설치할 때에는 상기 홈이 형성된 쪽의 내면에 형성하는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호회로 구조체는 상기 홈을 이루는 벽체 외측과 상기 전극 탭이 형성된 변의 가장자리가 이루는 공간에 설치하는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지 제조 방법.