KR20120056316A - 향상된 생산성의 이차전지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파우치형 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 열융착 밀봉에 의해 이차전지를 제조하는 방법으로서, 상기 전지케이스는 고분자 수지의 최외층, 차단성 금속층 및 열융착성 수지의 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체 수납부를 포함하고 있으며, 상기 전극조립체를 전지케이스에 내장한 상태에서 상기 전극조립체 수납부의 외주면인 실링 예정부위에 대한 적외선의 조사에 의해, 상호 밀착되어 있는 실란트층들을 용융시켜 실링부를 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 향상된 생산성의 이차전지 제조방법으로서, 구체적으로, 파우치형 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 열융착 밀봉에 의해 이차전지를 제조함에 있어서, 상기 전지케이스는 고분자 수지의 최외층, 차단성 금속층 및 열융착성 수지의 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체 수납부를 포함하고 있으며, 상기 전극조립체 수납부의 외주면인 실링 예정부위에 대한 적외선의 조사에 의해, 상호 밀착되어 있는 실란트층들을 용융시켜 실링부를 형성하는 과정을 포함하는 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
최근에는 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 말한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(40, 41)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 전극조립체 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일체로서 연결되어 있는 커버(22)로 이루어져 있다. 본체(21)와 커버(22)는 완전히 분리된 형태일 수도 있다.
전지케이스(20)는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 최외각을 이루는 외측 수지층(20a), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20b), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20c)으로 구성되어 있다.
스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 각각 융착되어 전극리드(40, 41)에 함께 결합되어 있는 구조를 가지고 있다. 또한, 케이스 본체(21)의 상단부(24)와 커버(22)의 상단부가 열융착기(도시하지 않음)에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극리드(40, 41) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극리드(40, 41)와 전지케이스(20)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(40, 41)의 상하면에 절연필름(50)이 부착된다.
도 2에는 도 1의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정 및 라미네이트 시트의 결합된 단면이 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 라미네이트 시트(20)는 최외각을 이루는 외측 수지층(20a), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20b), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20c)으로 구성되어 있다.
이러한 다층 라미네이트 구조의 전지케이스 시트(20)는 실링 예정부에서 내측 수지층(20c)이 서로 대면하는 구조를 이루며, 이러한 내측 수지층(20c)은 열 가압부재(30)를 이용한 물리적인 압력과 가열과정 등을 거쳐 열융착에 의해 서로 결합됨으로써 실링부를 형성한다.
그러나, 상기 열융착에 의해 내측 수지층들이 결합되기 위해서는, 열 가압부재로부터의 열이 전도 과정에서 의해 외측 수지층과 차단성 금속층을 거쳐 내측 수지층에 전달되어야 하므로, 많은 시간이 소요되며, 이로 인해 전지의 제조 공정 시간이 길어지고, 결과적으로 생산성이 낮아지는 문제점이 있다.
따라서, 전지케이스의 실링부를 안전하고 신속하게 형성하여 이차전지의 제조 공정성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 적외선 조사에 의해 전지케이스의 실링부를 형성함으로써, 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은, 파우치형 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 열융착 밀봉에 의해 이차전지를 제조하는 방법으로서, 상기 전지케이스는 고분자 수지의 최외층, 차단성 금속층 및 열융착성 수지의 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체 수납부를 포함하고 있으며, 상기 전극조립체를 전지케이스에 내장한 상태에서 전극조립체 수납부의 외주면인 실링 예정부위에 대한 적외선의 조사에 의해, 상호 밀착되어 있는 실란트층들을 용융시켜 실링부를 형성하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 적외선 조사에 의해 실링부를 형성하는 바, 조사된 적외선이 차단성 금속층을 직접 가열하여 그로부터 전도된 열에 의해 최내층인 실란트층이 용융됨으로써 열융착 실링부를 형성하기 때문에, 열융착 과정을 현저히 단축시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 방법은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술과 비교할 때, 실링부의 형성을 위한 공정 시간을 대략 1/3 수준으로 크게 단축시킬 수 있으며 (결과적으로, 공정 소요시간을 2/3 경감할 수 있음), 그로 인해 제조 공정성 및 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 종래 기술에서처럼 최외층을 가열할 필요가 없으므로, 최외층의 열충격, 열변형 등을 방지함으로써, 양질의 제품을 생산할 수 있는 효과도 있다.
본 발명에서 상기 최외층의 고분자 수지는 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, 예를 들어, 연신 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 차단성 금속층은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 기능을 발휘할 수 있는 다양한 금속 소재들이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 실란트층의 열융착성 수지는 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 바람직하게는, 폴리올레핀(polyolefin)계 수지, CPP(무연신 폴리프로필렌) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 실링부의 형성은 조사된 적외선이 차단성 금속층의 발열을 유도하고 전도된 열에 의해 실란트층이 용융되는 과정으로 달성될 수 있다.
즉, 종래 기술에서와 같이 열 가압부재에 의해 최외층으로부터 실란층까지 순차적인 열 전도에 의해 실링부를 형성하는 방법과 비교할 때, 본 발명은 적외선의 조사만으로도 신속하고 정교한 공정을 이룰 수 있으므로 매우 바람직하다.
본 발명의 방법에 따라 적외선 조사에 의한 실링부를 형성하기 위해서는, 적외선 파장의 범위가 중요한 요소이며, 예를 들어, 상기 적외선의 파장은 700 내지 1100 nm의 범위일 수 있고, 바람직하게는 750 내지 900 nm의 범위일 수 있으며, 더욱 바람직한 범위는 750 내지 850 nm일 수 있다.
상기 적외선의 파장이 너무 긴 경우에는 차단성 금속층의 발열 내지 실란트층의 용융을 유도하는데 충분하지 못하거나 많은 시간이 소요될 수 있으며, 반대로 파장이 너무 짧은 경우에는 고에너지에 의해 전지케이스의 파열 또는 화재 등이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 적외선 조사에 의해 실린트층의 온도는, 예를 들어, 180 내지 300도로 상승하여 용융될 수 있으며, 상기 범위를 벗어난 경우에는 불충분한 용융 내지 과도한 용융에 의해 실질적으로 실링부의 형성이 용이하지 않을 수 있으므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 적외선은 실링 예정부에서 전지케이스의 상부 커버 또는 하부 본체 중 어느 일측에서 조사될 수 있다. 또는, 상기 적외선이 실링 예정부에서 전지케이스의 상부 커버와 하부 본체의 양측에서 조사될 수도 있다. 전자의 경우는, 후자의 경우와 비교하여 설비 비용이 낮고 상호 대향측에서 적외선 조사원의 손상 가능성을 방지할 수 있는 잇점이 있다. 후자의 경우는, 대향측에서 2개의 적외선 조사원을 사용하므로 실란트층의 용융을 보다 빠른 시간 내에 효과적으로 이룰 수 있는 잇점이 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 실링 예정부에서 전지케이스의 상부 커버의 상단과 하부 본체의 하단을 적외선 투과 다이로 가압하여 실란트층들의 상호 밀착력을 높인 상태에서, 상기 적외선 투과 다이를 경유하여 적외선을 조사할 수도 있다.
이러한 방식은 가압 상태를 유지하면서 적외선을 조사하므로, 실란트층에 대해 높은 정밀도로 적외선 조사를 수행하여 실링부를 효과적으로 형성할 수 있고, 실링부의 결합력을 더욱 높일 수 있다.
상기 구조에서, 상기 적외선 투과 다이는 적외선을 통과하여 실린트 층을 용융시킬 수 있는 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 유리로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지의 제조방법에 사용되는 장치를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 장치는,
전지케이스의 하부 본체가 탑재된 상태에서 상기 하부 본체의 실링 예정부인 외주면을 지지하는 부위가 적외선 투과 소재로 이루어진 하부 다이;
전지케이스의 상부 커버에서 실링 예정부인 외주면을 하향 가압하는 부위가 적외선 투과 소재로 이루어진 상부 다이; 및
상기 전지케이스의 외주면인 실링 예정부위에 대해 적외선의 조사하는 적외선 조사원;
을 포함하는 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 적외선 조사원은 상부 다이의 상부에 위치하는 제 1 적외선 조사원과 하부 다이의 하부에 위치하는 제 2 적외선 조사원으로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 실링 예정부에 조사하는 적외선에 의해, 차단성 금속층의 발열을 유도하고 전도된 열에 의해 실란트층이 용융되어 실링부를 형성할 수 있으며, 종래 기술과 비교하여 공정시간을 크게 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은 전지케이스의 실링 예정부위에 대한 적외선의 조사에 의해, 상호 밀착되어 있는 실란트층들을 용융시켜 실링부를 형성하는 과정을 포함함으로써, 실링부 형성에 대한 공정 시간을 크게 단축시켜, 궁극적으로 이차전지의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 최외층에 대한 열충격, 열변형 등을 유발하지 않으면서 실링부를 형성할 수 있으므로, 보다 양질의 이차전지를 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 라미네이트 시트로 형성된 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명에 따른 전지케이스의 실링부를 나타내는 부분 확대도이다;
도 4는 도 3의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다.
도 2는 도 1의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명에 따른 전지케이스의 실링부를 나타내는 부분 확대도이다;
도 4는 도 3의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명에 따른 이차전지의 전지케이스에 실링부를 나타내는 측면 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 라미네이트 시트와 전지케이스를 동일 부호인 120으로 나타낸다.
이들 도면을 도 3과 함께 참조하면, 파우치형 전지케이스(120)에 전극조립체(도시하지 않음)를 내장한 상태에서 열융착 밀봉에 의해 이차전지를 제조한다.
전지케이스(120)는 고분자 수지의 최외층(120a), 차단성 금속층(120b) 및 열융착성 수지의 실란트층(120c)을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체 수납부(123)를 포함하고 있다.
최외층(120a)은 외부로부터 전지를 보호할 수 있도록 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등을 가진 ONy(연신 나일론)으로 이루어져 있고, 차단성 금속층(120b)은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 알루미늄(Al)으로 이루어져 있으며, 실란트층(120c)은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공할 수 있는 CPP(무연신 폴리프로필렌)로 이루어져 있다.
전지케이스의 실링부 형성 방법으로서, 일단, 전지케이스(120)의 상부 커버(122)의 상단과 하부 본체(124)의 하단은 유리 소재의 상부 다이(200) 및 하부 다이(210)로 가압되어 실란트층들(120c)의 상호 밀착력을 높인다.
그런 다음, 적외선 조사원(300)이 상부 다이(200) 및 하부 다이(210)를 경유하여 전극조립체 수납부(123)의 실링 예정부위(160)에 파장이 약 800 nm인 적외선(화살표 참조)을 조사한다.
이러한 적외선 조사에 의해, 차단성 금속층(120b)의 발열을 유도하고 전도된 열에 의해 실란트층(120c)을 약 200도로 가열하여, 실란트층(120c)이 용융되면서 실링부(160)를 형성한다.
따라서, 실링부 형성에 대한 공정시간을 크게 단축하여 이차전지의 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (16)
- 파우치형 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 열융착 밀봉에 의해 이차전지를 제조하는 방법으로서,
상기 전지케이스는 고분자 수지의 최외층, 차단성 금속층 및 열융착성 수지의 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체 수납부를 포함하고 있으며,
상기 전극조립체를 전지케이스에 내장한 상태에서 상기 전극조립체 수납부의 외주면인 실링 예정부위에 대한 적외선의 조사에 의해, 상호 밀착되어 있는 실란트층들을 용융시켜 실링부를 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 최외층의 고분자 수지는 ONy(연신 나일론), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 차단성 금속층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 실란트층의 열융착성 수지는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지, CPP(무연신 폴리프로필렌) 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 실링부의 형성은 조사된 적외선이 차단성 금속층의 발열을 유도하고 전도된 열에 의해 실란트층이 용융되어 달성되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적외선의 파장은 700 내지 1100 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적외선의 파장은 750 내지 900 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 조사에 의해 실린트층의 온도는 180 내지 300도로 상승하여 용융되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적외선은 실링 예정부에서 전지케이스의 상부 커버 또는 하부 본체 중 어느 일측에서 조사되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적외선은 실링 예정부에서 전지케이스의 상부 커버와 하부 본체의 양측에서 조사되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 실링 예정부에서 전지케이스의 상부 커버의 상단과 하부 본체의 하단을 적외선 투과 다이로 가압하여 실란트층들의 상호 밀착력을 높인 상태에서, 상기 적외선 투과 다이를 경유하여 적외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 적외선 투과 다이는 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 따른 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 13 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 따른 이차전지의 제조방법에 사용되는 장치로서,
전지케이스의 하부 본체가 탑재된 상태에서 상기 하부 본체의 실링 예정부인 외주면을 지지하는 부위가 적외선 투과 소재로 이루어진 하부 다이;
전지케이스의 상부 커버에서 실링 예정부인 외주면을 하향 가압하는 부위가 적외선 투과 소재로 이루어진 상부 다이; 및
상기 전지케이스의 외주면인 실링 예정부위에 대해 적외선의 조사하는 적외선 조사원;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조장치. - 제 15 항에 있어서, 상기 적외선 조사원은 상부 다이의 상부에 위치하는 제 1 적외선 조사원과 하부 다이의 하부에 위치하는 제 2 적외선 조사원으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조장치.
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