KR20120038695A - 파우치형 이차 전지의 실링장치 - Google Patents

파우치형 이차 전지의 실링장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파우치형 리튬 이차 전지의 제조를 위한 실링 장치에 대한 것으로, 리튬 이차전지의 파우치형 케이스(pouch)와 전극조립체로부터 돌출된 전극탭과의 실링부가 보다 밀착되어 실링성이 개선된 이차전지의 제조를 위한 실링 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 실링 장치를 이용하여 파우치형 이차 전지를 실링함으로써 이차전지의 실링성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 실링장치를 이용하는 경우, 단차부가 직각으로 형성된 실링 장치를 이용하는 경우보다, 파우치형 전지케이스가 손상될 우려가 적다.

Description

파우치형 이차 전지의 실링장치{SEALING APPARATUS OF POUCHED SECONDARY BATTERY}
본 발명은 파우치형 리튬 이차 전지의 제조를 위한 실링 장치에 대한 것으로, 보다 자세하게는 리튬 이차전지의 파우치형 케이스(pouch)와 전극조립체로부터 돌출된 전극탭과의 실링부가 개선된 이차전지의 제조를 위한 실링 장치에 관한 것이다.
근래, 휴대전화, PDA, 랩탑 컴퓨터 등 휴대 전자기기는 물론 자동차의 구동전원으로까지 리튬 이차전지가 사용되면서 이들의 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는 예를 들어, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차전지는 수명이 길고 용량이 크다는 장점을 가지고 있다.
상기 리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속전지와 리튬 이온전지 및 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 유기전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 리튬 폴리머 전지, 유기 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
도 1은 통상적인 이차전지의 일 예를 도시한 단면도이다.
도면을 참조하면, 이 리튬 이차전지는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터(separator)를 구비하는 전극 조립체(14)와, 이 전극 조립체(14)를 감싸서 밀봉하는 케이스(15)를 구비하여 이루어진다. 그리고 상기 전극 조립체(14)와 외부의 전기적 통로 역할을 하는 전극탭(17)은 양극판 및 음극판에 마련된 연결 탭(16)에 연결되며, 이 전극탭(17)은 케이스(15) 밖으로 소정 길이 노출되도록 설치된다.
여기에서 상기 케이스(15)의 외부로 돌출되는 전극탭(17)은 케이스(15) 내부의 전해액이 전극탭(17)과 케이스(15)의 접합부위를 타고 누액(leakage)되는 것을 방지하기 위하여 얇은 수지층의 필름을 함께 코팅하여 왔다.
그러나 50㎛ 내지 1000㎛의 두께를 갖는 전극탭(17)은 상기와 같이 필름이 함께 코팅되더라 도 2에 도시된 바와 같이 상하부측의 케이스(15a)(15b)에 개재된 상태가 되므로 전극탭의 양측면과 대응되는 부위의 상하부 케이스가 열 융착 실링 장치로는 완전히 접합 되지 않게 되므로 전해액이 누설된다.
즉, 상기 전극탭(17)은 상기한 소정의 두께를 가지고 있으므로 상하부 케이스(15a)(15b)가 접합된다 하여도 전극탭(17)의 두께에 의해 접합부위가 들뜨게 되는 것이다.
상기와 같이 전극탭(17) 주위의 상하부 케이스가 불완전한 접합되면 전극탭 주위로 전해액이 누액되어 2차 전지의 충방전에 따른 전기적 특성을 떨어뜨리는 문제가 야기된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전극탭(17)을 사이에 두고 실링하는 개선된 실링 장치가 공지되었으며 이를 도 3a 및 도 3b에 도시하였다.
도 3a를 참조하면, 개선된 실링 장치(20)는 히팅수단(도시되지 않음)이 마련되며 알루미늄으로 이루어진 상하부 히팅 블록(21)(22)을 구비하고, 상기 상하부 케이스(15a)(15b)에 개재되는 전극탭(17)과 대응되는 상하부 히팅 블록(21)(22) 부분에는 실링시 전극탭(17)이 안착되는 인입홈(21a)(22a)을 형성하였다.
상기와 같이 구성된 실링장치(20)를 이용하여 상기 상하부 케이스(15a)(15b) 및 전극탭(17)을 실링하는 경우 전극탭(17)은 상하부 히팅블럭(21)(22)의 인입홈(21a)(22a)에 안착됨으로써 전극탭(17) 이외의 부분이 충분히 가압되어 실링되도록 고안된 것이다. 그리고 상기 전극탭(17)은 그 두께만큼은 인입홈(21a)(22a)에 의해 보상된 상태에서 실링된다.
또한 도 3b를 참조하면, 전극탭(17)이 돌출된 부위의 보다 높은 실링성을 확보하기 위하여, 히팅블럭(23)(24)의 인입홈(23a)(24a)을 계단형의 단차로 형성하여 전극탭부위의 실링성을 향상시키기 위한 노력들이 있었다.
이와 같이 인입홈이 형성된 실링 장치를 구성시 상기 인입홈(21a)(22a)은 전극탭의 폭보다 최대 10% 이하의 여유공간을 갖도록 형성하며, 예를 들어 전극탭의 폭 길이가 40mm일 경우 인입홈의 폭 길이는 42 내지 44mm로 형성하는 것이 일반적이다. 이는 도 3b의 계단형 단차로 이루어진 인입홈의 경우에도 마찬가지이다.
상기와 같이 여유공간을 두지 않고, 인입홈의 폭을 전극탭의 폭과 동일하게 형성하는 경우에는 전극탭이 인입홈에 정확하게 안착하는 것이 공정상 어렵고, 전극탭이 인입홈에 불안정하게 안착된 채로 실링하게 되면 오히려 전지케이스의 실링이 더욱 불량하게 되어 전해액이 쉽게 누액된다.
따라서 원활한 전지의 제조공정이 진행되도록 하기 위해서는 상기한 바와 같이 인입홈의 폭길이를 전극탭의 폭길이보다 10%미만으로 더 넓게 형성하는 조건이 필수적이라 할 수 있다.
그러나 이와 같이 전극탭의 폭 길이보다 인입홈의 폭 길이를 넓게 형성할 경우, 상기와 같이 인입홈이 포함되는 실링장치를 사용하더라고 인입홈과 전극탭의 폭길이 차이 즉, 여유공간만큼 실링장치에 의해 가압되지 않는 비실링 부위가 생기게 되며, 이는 전극탭의 두께가 두꺼워짐에 따라 인입홈의 깊이와 폭 길이가 증가할수록 상기 비실링 부위 또한 커지게 된다.
상기와 같은 문제의 해결을 위하여 전극탭의 두께가 증가함에 따라, 전극탭 위에 개재되어 함께 실링되는 얇은 수지층 필름의 두께를 증가시키는 것도 함께 고려해볼 수도 있으나, 이과 같은 경우, 상기 비실링 부위를 메우는 데는 효과적일 수도 있으나, 필름 두께의 증가에 따라 파우치를 열융착에 의해 실링하는 경우 파우치 실링 부위에 충분히 열 전달이 안 될 우려가 있으며, 전지 내의 수분 침투나 전해액 누수 현상이 대부분 상기와 같이 전극탭 부위의 필름이 개재된 부분을 통해 이루어지므로, 필름의 두께를 늘릴 경우, 전지 내의 수분 침투 및 전해액 누수현상이 더 큰 문제로 발생 될 우려가 있다.
따라서 상기 수지층 필름은 전극탭의 두께에 관계없이 동일한 두께의 필름을 이용하는 것이 바람직하고,
따라서 수지층 필름으로는 인입홈의 단차 증가에 의해 생성되는 비실링 부위를 충분히 메울 수가 없다.
또한, 상기 비실링 부위를 줄이기 위하여 여유 공간을 줄일 경우, 전극탭이 인입홈에 정확히 위치하게 하는 것이 공정상 어렵기 때문에 일정범위 이상의 여유 공간의 확보는 반드시 필요한바, 상기 문제점을 계속되고 있는 것이다.
특히, 근래 수요가 급격히 증가하고 있는 고용량 고출력의 중대형용 이차 전지의 경우, 포함되는 단위셀 및 용량의 크기에 따라 전극탭의 두께가 증가하고 있는 바, 이와 같이 전극탭의 크기가 증가할수록 실링장치에 의해 가압되지 않는 비실링 부위가 커지게 되어 실링이 원활하게 이루어지지 않은 문제점이 있으며 따라서 실링에 따른 신뢰성이 저하되는 문제점이 내지되어 있다.
이는 결국 전지 수명의 저하를 초래하는 것으로서 이와 같은 문제를 해결하기 위한 파우치형 이차 전지의 실링 장치를 개선하는 것이 시급하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 파우치형 이차전지의 전지케이스 실링 공정 시, 전극탭의 두께가 증가함에 따라 전극탭이 위치하는 부분의 양 옆쪽의 전지케이스 비실링 부위가 증가하는 것을 막기 위하여 기존의 열융착 실링 장치의 인입홈의 단차를 사선형으로 형성한 이차전지 실링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 해결 수단을 제공한다.
즉, 본 발명은,
파우치형 이차 전지를 이루는 파우치형 케이스를 실링하는 실링장치에 있어서, 상기 실링장치는 상하부 실링블록을 포함하고, 상기 상하부 실링 블록 중 적어도 어느 한쪽 실링 블럭은 파우치형 이차전지의 전극탭과 상응하는 위치에 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링장치를 제공한다.
또한, 상기 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈은 폭길이가 전극탭의 폭 길이보다 0.1% 내지 10% 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈은 상기 실링장치의 상부 실링블록과 하부 실링블록에 모두 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 사선형의 단차부는 2단 이상의 단차로 형성된 것을 특징으로 하며, 또한, 상기 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈의 깊이는 전극탭 두께의 1/2 내지 전극탭의 두께와 동일한 깊이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈의 깊이는 전극탭 두께의 1/2이 되는 깊이로 형성되는 것을 특징한다.
또한, 상기 이차 전지의 실링장치는, 전극탭이 동일 방향으로 돌출된 리튬 이차 전지의 전극탭과 상응하는 위치에 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이차 전지의 실링장치는, 전극탭이 서로 다른 방향으로 돌출된 리튬 이차 전지의 전극탭과 상응하는 위치에 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실링 장치를 이용하여 파우치형 이차 전지를 실링함으로써 이차전지의 실링성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실링 장치를 이용하는 경우, 단차부가 직각으로 형성된 실링장치를 이용하는 경우보다, 파우치형 전지케이스가 손상될 우려가 적다.
도 1은 통상적인 2차 전지의 일예를 도시한 도면이다.
도 2는 종래 전극탭이 실링된 부분의 상태를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 3b는 종래 전극탭의 인입홈을 포함하는 실링 장치에 대한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실링 장치의 단면도이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
파우치형 이차 전지를 이루는 파우치형 케이스를 실링하는 실링장치에 있어서, 상기 실링 장치는 상하부 실링 블록을 포함하고, 상기 상하부 실링 블록 중 적어도 어느 한쪽 실링 블럭에는 파우치형 이차전지의 전극탭과 상응하는 위치에 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 사선형의 단차부는 상기 실링장치의 상단 장치와 하단 장치에 모두 포함되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 사선형의 단차부는 2단 이상의 단차로 형성된 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하나, 이들 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것이 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 4 및 도 5에는 본 발명에 따른 실링 장치의 일 실시예를 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실링 장치(30, 40)는 이차 전지의 상하부 케이스(31,32, 41,42)의 가장자리에 형성된 상하 실링부를 실링하기 위한 것으로, 상하부 실링블록과 상하부 실링블록의 적어도 일 측인 상부 실링블록을 승강시키기 위한 승강수단(도시되지 않음)을 포함한다. 상기 승강 수단은 실링블록과 그 로드가 연결되는 실린더 등과 같은 것으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 실링 장치의 상하부 실링 블록의 적어도 어느 한쪽에는 양쪽 단차부가 사선형으로 형성된 인입홈을 포함한다.
근래 중대형의 이차전지 등에 포함되는 전극탭은, 전지의 용량이 증가함에 따라 그 두께 또한 증가하여 약 50 내지 1000㎛의 두께로 형성되는 것이 일반적이며, 이와 같이 두꺼운 두께의 전극탭을 포함하는 이차전지를 실링하기 위하여는 단지 상기 두께의 전극탭을 보상할 수 있는 깊이의 인입홈을 실링블록에 형성하는 것만으로는 전극탭의 주변을 완벽하게 실링하는 것이 어렵다.
이는 계단형 단차의 인입홈이 형성된 실링 장치를 구성시 원할한 실링을 위해 전극탭의 크기보다 넓으며, 전극탭의 폭 길이보다 최대 10% 정도 더 넓게 여유공간을 설계하는 것이 필수적이나, 이와 같은 여유공간은 실링 장치로 전지케이스를 가압하여 실링하는 경우, 가입이 되지 않는 비실링 부위가 되며, 전극탭 위에 개재되는 수지층의 두께가 일정할 경우, 단차 증가에 의해 생성되는 상기 비실링 부위를 충분히 메울 수가 없게 되는바 전극탭의 두께 차이로 인하여 실링이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.
이에, 본 발명에 따른 실링 장치의 실링 블록은, 이차전지의 전극탭이 위치하는 부분과 상응하는 부분에, 단차부의 양쪽이 사선형으로 형성된 인입홈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서와 같이 실링 블록에 형성되는 인입홈의 양쪽 단차부를 직각이 아닌 사선형으로 형성함으로써, 전극탭의 폭 길이보다 인입홈의 폭 길이를 더 길게하여 충분한 여유공간을 확보함으로써 전극탭이 인입홈에 안착되기 용이하도록 하면서도, 실링 시 상기 여유공간의 비실링으로 인한 비실링 부위가 발생하는 공간을 현저히 줄일 수 있는 효과가 있어, 두께가 두꺼운 전극탭 주변의 전지케이스가 실링공정에 의해 보다 확실하게 밀착되도록 한다.
또한, 인입홈에 여유공간이 부족한 경우, 종래 실징 장치와 같이 단차부가 직각으로 형성된 경우에 상기 실링 장치로 전지케이스를 가압 시 파우치형 전지케이스가 손상될 우려가 있으나, 본 발명과 같이 단차부가 사선형으로 형성된 경우에는 상기와 같은 이유로 전지케이스가 손상될 우려가 없다.
상기 인입홈의 사선형 단차부는 사다리꼴의 형태로서 단차의 안쪽부분이 바깥쪽 부분 즉, 인입홈의 입구 쪽보다 폭이 좁도록 형성하는 것이라면 그 형태나 폭의 비율 등을 특별히 제한하지 않는다.
다만, 보다 바람직하게는 도 4 및 도 5에서 나타난 바와 같이 평면과 전극탭과 접촉되는 사선이 이루는 각도, 즉 안쪽 제1의 단차(100) 부분의 각도가 120도 내지 150도의 범위 내에서 형성되도록 할 수 있다.
상기 사선형 단차의 안쪽 제1의 단차(100) 부분의 각도가 120도 보다 적은 경우에는 단차부를 사선으로 형성한 효과가 적으며, 150도보다 크게 사선형 단차를 형성하는 경우에는 안쪽 단차의 폭과 바깥쪽 단차의 폭 길이 차가 너무 커져 인입홈의 폭이 전체적으로 커지는 문제가 있기 때문이다.
본 발명에 따른 실링 장치의 실링 블록은, 또 다른 실시예에서 사선으로 형성된 2 이상의 단차를 포함하는 인입홈을 포함하는 것일 수 있다.
이와 같이 2단 이상의 사선형 단차로 구성된 인입홈을 포함함으로써, 보다 다양한 두께의 전극탭을 갖는 이차 전지에 대해 전극탭 주변의 전지케이스의 실링성을 크게 개선할 수 있다.
즉, 전지케이스의 두께가 두꺼운 경우에는 실링층이 두꺼워 지며, 이와 같은 경우에는 그 실링층에 대해서도 두께 보상을 해주어야 실링성을 높일 수 있으므로 2단 이상의 단차를 갖는 인입홈을 형성하므로서 전극탭과 전지 케이스가 보다 확실히 밀착되도록 하여 전지의 실링성을 높일 수 있고, 이때, 상기 2단 이상의 단차를 사선형으로 함으로써 비실링 부위를 확실히 줄일 수 있게 되는 것이다.
이때, 2단 이상의 사선형 단차의 단차 부위 각도 또한 특별히 제한하지 않으며, 바람직하게는 상기 1단의 사선형 단차가 같는 각도 범위 내로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 사선형 단차의 인입홈은 상부 실링블록과 하부 실링블록 중 적어도 어느 한 측에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 상부 실링 블록과 하부 실링블록 양쪽에 모두 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 사선형 단차의 인입홈의 폭길이 및 깊이의 수치는 특별히 제한하지는 아니하며 전지탭의 두께 및 폭길이에 따라 각각 달라질 수 있다.
다만 인입홈의 폭 길이는 상기한 바와 같이, 전지탭의 폭 길이보다 더넓게 형성하는 것이 바람직하며 구체적으로는 약 10% 미만으로 더욱 바람직하게는 0.1% 내지 10% 정도 더 넓게 형성함으로서 이차전지의 실링 공정이 원활히 이루어질 수 있도록 할 수 있다.
또한, 상기 사선형 단차부를 갖는 인입홈의 깊이는 전극탭 두께의 1/2 내지 전극탭 두께와 동일한 깊이의 범위로 형성될 수 있다. 사선형 단차의 인입홈을 상부 실링블록과 하부 실링블록 중 어느 한쪽에만 형성하는 경우에는 형성되는 인입홈의 깊이는 전극탭의 두께와 동일하도록 형성함이 바람직하며, 상부 실링블록과 하부 실링블록 양쪽에 인입홈을 형성하는 경우에는 각 인입홈의 깊이는 전극탭 두께의 1/2이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 전극탭이 양쪽으로 돌출되는 양 방향 이차 전지 및 전극탭이 한쪽 방향으로 나란하게 돌출된 단방향 이차 전지를 실링하는데 모두 적용될 수 있으며, 이 경우, 전극탭의 위치와 대응되는 실링블록의 위치에 본 발명에 따른 인입홈을 형성하는 것으로 만족 될 수 있다.
본 발명은 상기 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
30, 40; 실링장치,
31, 41; 상부 실링블록,
32, 42; 하부 실링블록,
31a, 32a; 사선형 단차를 포함하는 인입홈,
41a, 42a; 2단 이상의 사선형 단차를 포함하는 인입홈.

Claims (8)

  1. 파우치형 이차 전지를 이루는 파우치형 케이스를 실링하는 실링 장치에 있어서,
    상기 실링 장치는 상하부 실링블록을 포함하고, 상기 상하부 실링 블록 중 적어도 어느 한쪽 실링 블럭은 파우치형 이차전지의 전극탭과 상응하는 위치에 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈은 폭 길이가 전극탭의 폭 길이보다 0.1% 내지 10% 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈은 상기 실링 장치의 상부 실링블록과 하부 실링블록에 모두 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사선형의 단차부는 2단 이상의 단차로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈의 깊이는 전극탭 두께의 1/2 내지 전극탭의 두께와 동일한 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈의 깊이는 전극탭 두께의 1/2이 되는 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링 장치.
  7. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    상기 이차 전지의 실링 장치는, 전극탭이 동일 방향으로 돌출된 리튬 이차 전지의 전극탭과 상응하는 위치에 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링 장치.
  8. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    상기 이차 전지의 실링 장치는, 전극탭이 서로 다른 방향으로 돌출된 리튬 이차 전지의 전극탭과 상응하는 위치에 사선형의 단차부를 포함하는 인입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 실링 장치.
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