KR20110101331A - 신규한 구조의 전지팩 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해액이 함침된 상태에서 전극조립체가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩을 제조하는 방법으로서, (a) 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 제조하는 과정; (b) 상기 전극조립체의 전극 단자를 제외한 부위를 전해액이 담겨 있는 트레이에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정; (c) 상기 트레이를 진공 챔버 내에 위치시킨 상태에서 전극조립체에 대해 충방전을 수행하여 발생한 가스를 제거하는 과정; (d) 상기 트레이로부터 전극조립체를 꺼내고 전극조립체의 외면에 고분자 수지를 도포하여 코팅층을 형성하는 과정; 및 (e) 상기 코팅층을 경화시켜 팩 케이스를 형성하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법을 제공한다.

Description

신규한 구조의 전지팩 제조방법 {Process for Preparing of Battery Pack of Novel Structure}
본 발명은 신규한 구조의 전지팩 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전해액이 함침된 상태에서 전극조립체가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩을 제조하는 방법으로서, (a) 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 제조하는 과정; (b) 상기 전극조립체를 전해액이 담겨 있는 트레이에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정; (c) 상기 트레이를 진공 챔버 내에 위치시킨 상태에서 전극조립체에 대해 충방전을 수행하여 가스를 제거하는 과정; (d) 상기 트레이로부터 전극조립체를 꺼내고 전극조립체의 외면에 고분자 수지 코팅층을 형성하는 과정; 및 (e) 상기 코팅층을 경화시켜 팩 케이스를 형성하는 과정;을 포함하는 전지팩 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지의 사용은 작동전압이 높고, 단위 중량당 에너지밀도가 높다는 잇점으로 인해 급속도로 증가되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다.
리튬이온 폴리머 전지(LiPB)는 전극(양극 및 음극)과 분리막을 열융착시킨 전극조립체에 전해액을 함침시킨 구조로서, 주로 스택형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉한 형태로서 많이 사용되고 있다. 따라서, 리튬이온 폴리머 전지를 종종 파우치형 전지로 칭하기도 한다.
도 1 및 2에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 리튬이온 폴리머 전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 리튬이온 폴리머 전지(100)는, 파우치형의 전지케이스(200) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(300)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(301, 302)이 두 개의 전극리드(400, 410)에 용접되어 전지케이스(200)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(300)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(230)를 포함하는 케이스 본체(210)와 그러한 본체(210)에 일측이 연결되어 있는 덮개(220)로 이루어져 있다.
리튬이온 폴리머 전지(100)에 사용되는 전극조립체(300)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리롤형 구조 또는 스택/폴딩형 구조도 가능하다. 스택형 전극조립체(300)는 다수의 양극 탭들(301)과 다수의 음극 탭들(302)이 전극리드(400, 410)에 각각 용접되어 있다.
이러한 폴리머 전지(100)는 수납부(230)에 전극조립체(300)를 안착한 후 덮개(220)를 덮고 본체(210)과의 접촉 부위를 열융착시켜 제조된다. 열융착에 의해 상단 실링부(240)와 측면 실링부(250)가 각각 형성되며, 측면 실링부(250)는 수직으로 상향 절곡하여 전극조립체(300) 쪽으로 밀착시킨다.
그러나, 이러한 폴리머 전지는 몇가지 문제점들을 가지고 있다.
첫째, 실링부위는 전지의 다른 부위에 비해 취약한 부위로서, 장기간의 사용시 상기 실링부위를 통해 수분이 침투하여 결과적으로 전지의 수명이 단축되는 원인으로 작용할 수 있으며, 절연 저항이 높아질 수 있다.
특히, 이러한 폴리머 전지 다수 개를 적층하여 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결하는 중대형 전지모듈의 경우, 장기간의 전지 수명 및 안전성을 요구하고, 일부 전지에서 수분 침투가 발생하게 되면 이로 인해 전지모듈 전체의 성능 저하를 가져오게 되므로 많은 문제점을 일으키게 된다.
둘째, 전극리드의 상하면 일부에는 전지케이스와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 별도의 절연필름을 부착하여야 하므로, 제조공정이 번거롭고 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.
셋째, 전지케이스는 전극조립체의 크기에 비해 전장, 전폭, 두께가 상대적으로 커서 내부의 갭이 존재하므로, 전지 용량이 상대적으로 적고, 전지케이스 내에서 전극조립체가 이동할 수 있다는 단점이 있다.
넷째, 전지는 제조과정에서 활성화 및 숙성 단계를 거치게 되는데, 이때 발생하는 가스를 제거하기 위해 가스 포켓을 가진 전지케이스를 일차 밀봉하여 활성화 단계를 거치고 가스 포켓을 절취하여 가스를 제거한 후 재차 밀봉하는 단계를 거치므로, 제조공정이 길어지는 단점이 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해소하면서 전지팩의 안전성 향상 및 불량률을 감소시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 전극조립체의 전극 단자를 제외한 부위를 전해액이 담겨 있는 트레이에 침지시켜 전해액을 함침하고, 바람직하게는 특정한 공간에서 다수의 전극조립체들에 활성화 등을 수행한 후, 전극조립체의 외면에 고분자 수지를 도포하여 코팅층을 형성한 뒤 경화시켜 팩 케이스를 형성함으로써, 전지의 용량을 극대화하고 안전성을 확보하면서 제조공정을 최소화하는 전지팩의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩 제조방법은, 전해액이 함침된 상태에서 전극조립체가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩을 제조하는 방법으로서,
(a) 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 제조하는 과정;
(b) 상기 전극조립체의 전극 단자를 제외한 부위를 전해액이 담겨 있는 트레이에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정;
(c) 상기 트레이를 진공 챔버 내에 위치시킨 상태에서 전극조립체에 대해 충방전을 수행하여 발생한 가스를 제거하는 과정;
(d) 상기 트레이로부터 전극조립체를 꺼내고 전극조립체의 외면에 고분자 수지를 도포하여 코팅층을 형성하는 과정; 및
(e) 상기 코팅층을 경화시켜 팩 케이스를 형성하는 과정;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 전지케이스를 사용하지 않고 코팅층 자체가 팩 케이스로서 사용될 수 있다.
종래의 전지케이스는 상하부 전지케이스의 결합을 위해 접촉 부위를 초음파 용착시켜야 하므로 불량률이 높고 제조공정이 복잡하다.
이러한 종래기술의 전지케이스와 비교할 때, 본 발명에 따른 전지팩은 전극조립체의 외면을 간단히 코팅하는 것에 의해 팩 케이스를 형성할 수 있으므로 제조공정이 매우 단축되고, 팩 케이스와 전극조립체 사이에 갭이 존재하지 않으므로, 코팅층의 두께를 종래의 전지케이스보다 더욱 얇게 만들거나 또는 동일 규격에서 전극조립체의 용량을 증가시킬 수 있으므로 고출력 대용량의 전지팩을 제공할 수 있다.
상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 스택/폴딩형 구조 등을 들 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전극조립체의 분리막 표면에는 전해액을 흡수할 수 있는 층("전해액 흡습층")이 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 전해액이 담겨 있는 트레이에 상기 전해액 흡습층을 포함한 전극조립체의 전극 단자를 제외한 부위를 침지시킴으로써, 전해액이 전극조립체에 매우 용이하게 함침될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 전지 활성화를 위한 최초 충방전시 전극조립체의 음극에는 SEI막이 형성되며 이러한 과정에서 일부 카보네이트 화합물이 분해하며 발생한 가스가 포집된다. 이러한 활성화 과정을 통해, 최종적으로 완성된 전지셀의 충전시 기형성된 SEI막은 정상적인 작동조건 하에서 추가적인 가스 발생량을 적게 할 수 있다.
따라서, 초기 충방전 과정은 이러한 SEI 막의 형성을 위해 필요하며, 최종적인 전지의 제조 이전에 반드시 요구되는 바, 바람직하게는 상기 트레이에 둘 이상의 전극조립체들을 침지한 후 동시에 충방전을 수행할 수 있다.
또한, 이러한 충방전을 행한 후 숙성하는 과정을 추가로 포함함으로써, 전극조립체에 SEI막이 보다 용이하게 형성되어 실제 전지의 사용 과정에서 가스 발생을 최소화할 수 있다.
결과적으로, 다수의 전극조립체들에 대해 활성화 및/또는 숙성 과정을 동시에 수행할 수 있고, 이러한 활성화 과정에서 앞서 설명한 바와 같은 종래기술에 따른 가스 제거를 위한 특정한 전지케이스 구조 및 별도의 가스 제거 과정을 거치지 않으므로, 전지의 제조공정을 현저히 간소화할 수 있다.
상기 고분자 수지는 전극조립체의 외면에 코팅층이 용이하게 형성될 수 있도록, 바람직하게는 열가소성 고분자 수지일 수 있다.
상기 열가소성 수지는 전기절연성을 부여하는 것이라면 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 스티렌 수지, 아크릴 수지, 고무 수지, ABS 등의 블랜드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상으로 이루어질 수 있다. 참고로, ABS는 AN(Acrylonitrile), BD(Butadiene), SM(Styrene Monomer: 스티렌 모노머) 3종의 Monomer(단량체)로 구성된 3원 공중합체된 수지를 의미한다.
경우에 따라서는, 상기 고분자 수지는 전극조립체의 외면에 코팅층이 광 에너지로 용이하게 경화될 수 있도록 광 경화성 고분자 수지일 수 있다.
이 경우, 상기 고분자 수지는 바람직하게는 자외선(UV) 조사에 의해 코팅층을 경화시켜 팩 케이스를 형성할 수 있다.
상기 광 경화성 고분자 수지는 전기절연성을 부여하는 것이라면 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어, 에폭시 수지 또는 불포화 폴리에스테르 수지일 수 있다.
한편, 상기 팩 케이스의 두께는 바람직하게는 3 mm 이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 3 mm의 범위일 수 있다. 팩 케이스의 두께가 너무 얇으면 전극조립체의 기계적 강성이 취약해질 수 있으며, 반대로 너무 두꺼우면 전지팩의 부피가 증가하고 코팅층을 형성하는 공정 시간이 길어지므로 바람직하지 않다.
본 발명은 또한 상기의 방법으로 제조된 전지팩을 제공한다. 이러한 전지팩은 전해액이 함침되어 있는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 고분자 코팅층의 팩 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 전극조립체의 외면을 간단히 코팅하는 것에 의해 팩 케이스를 형성할 수 있으므로 제조공정이 매우 단축되고, 팩 케이스와 전극조립체 사이에 갭이 존재하지 않으므로, 코팅층의 두께를 종래의 전지케이스보다 더욱 얇게 만들거나 또는 동일 규격에서 전극조립체의 용량을 증가시킬 수 있으므로 고출력 대용량의 전지팩을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은 상기와 같은 구조를 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 리튬 이차전지 팩에 바람직하게 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전극조립체의 전극 단자를 제외한 부위를 전해액이 담겨 있는 트레이에 침지시켜 전해액을 함침하고, 바람직하게는 특정한 공간에서 다수의 전극조립체들에 활성화 등을 수행한 후, 전극조립체의 외면에 고분자 수지를 도포하여 코팅층을 형성한 뒤 경화시켜 팩 케이스를 형성함으로써, 전지의 용량을 극대화하고 안전성을 확보하면서, 전지팩의 제조 공정성의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 2는 파우치형 전지케이스를 사용한 종래의 리튬이온 폴리머 전지의 분해도와 조립된 상태에서의 평면 투시도이다;
도 3은 본 발명에 사용되는 전극조립체의 평면도이다;
도 4 및 도 5는 전극조립체에 대해 전해액의 코팅층 형성하는 과정(b)의 모식도이다;
도 6은 전극조립체에 대해 충방전을 수행하여 가스를 제거하는 과정(c)의 모식도이다;
도 7은 전극조립체의 외면에 고분자 수지를 도포하여 코팅층을 형성하는 과정(d)의 모식도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 평면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본원발명에 사용되는 전극조립체의 평면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4 및 도 5에는 도 3의 전극조립체에 대해 전해액의 코팅층을 형성하는 과정을 모식적으로 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 우선, 전극조립체(300')는 젤리-롤형 또는 스택형일 수 있으며, 특별히 제한되지는 않는다. 또한, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어져 있고, 그것의 두 개의 전극단자(400, 410)에 용접되어 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.
분리막(도시되지 않음) 표면에는 전해액을 흡수할 수 있는 전해액 흡습층(도시하지 않음)이 형성되어 있어서, 전해액이 전극조립체(300')에 용이하게 함침될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이러한 다수의 전극조립체들(300')의 전극단자들(400, 410) 만을 집게(500)로 잡아 전해액(610)이 담겨 있는 트레이(600)에 전극단자(400, 410)를 제외한 부위까지 잠기도록 침지하여 전극조립체들(300')에 전해액(610)을 함침하게 된다.
도 6에는 전극조립체에 대해 충방전을 수행하여 가스를 제거하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 트레이(600)를 진공 챔버(620) 내에 위치시킨 상태에서 전극조립체(300')에 대해 충방전을 수행한다. 이러한 활성화 과정에서, 앞서의 설명과 같이, 최초 충방전시 전극조립체(300')의 음극에 보호막이 형성되며 이러한 과정에서 일부 카보네이트 화합물이 분해하며 발생한 가스가 진공챔버(620)의 배출구(630)를 통하여 배출된다. 이러한 과정을 통해, 최종적으로 완성된 전지팩의 충전시 기형성된 보호막은 정상적인 작동조건 하에서 추가적인 가스 발생량을 적게 할 수 있다.
또한, 이러한 활성화 과정을 수행한 후 숙성하는 과정이 포함함으로써, 전극조립체(300')에 보호막이 보다 용이하게 형성될 수 있다.
도 7에는 전극조립체의 외면에 고분자 수지를 도포하여 코팅층을 형성하는 과정이 모식적으로 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 평면도가 도시되어 있다.
우선, 도 7을 참조하면, 충방전 과정을 수행한 전극조립체(300')를 트레이에서 꺼내어 광 경화성 수지인 에폭시 수지(650)가 용융되어 있는 용기(660)에 코팅층의 두께가 2 mm가 되도록 소정시간 동안 함침시킨 후 외부로 꺼 낸다. 다음으로 코팅층을 자외선 조사에 의하여 경화시킨다.
따라서, 전극조립체(300')의 외면은 에폭시 수지(650)에 의해 코팅층이 형성되고 이를 경화시켜 팩 케이스(200')를 형성하므로 두께가 약 2 mm로 얇으면서도 전지용량을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 제조공정 및 제조비용을 최소화할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 전해액이 함침된 상태에서 전극조립체가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩을 제조하는 방법으로서,
    (a) 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 제조하는 과정;
    (b) 상기 전극조립체의 전극 단자를 제외한 부위를 전해액이 담겨 있는 트레이에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정;
    (c) 상기 트레이를 진공 챔버 내에 위치시킨 상태에서 전극조립체에 대해 충방전을 수행하여 발생한 가스를 제거하는 과정;
    (d) 상기 트레이로부터 전극조립체를 꺼내고 전극조립체의 외면에 고분자 수지를 도포하여 코팅층을 형성하는 과정; 및
    (e) 상기 코팅층을 경화시켜 팩 케이스를 형성하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 분리막 표면에는 전해액을 흡수할 수 있는 층("전해액 흡습층")이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 트레이에는 둘 이상의 전극조립체들을 침지한 후 동시에 충방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 충방전을 행한 후 숙성하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 열가소성 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 스티렌 수지, 아크릴 수지, 고무 수지, 및 ABS 등의 블랜드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 광 경화성 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 자외선(UV) 조사에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 에폭시 수지 또는 불포화 폴리에스테르 수지인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스의 두께는 3 mm 이하인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
  12. 전해액이 함침되어 있는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 고분자 코팅층의 팩 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지팩은 리튬 이차전지 팩인 것을 특징으로 하는 전지팩.
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