KR20120060708A - 원심력을 이용한 이차전지의 탈기 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서, (a) 전지케이스에 전극조립체를 장착한 상태에서 전지케이스의 외주면 중 일측 단부를 제외한 나머지 부위들을 열융착시켜 실링하는 과정; (b) 미실링 상태의 상기 단부를 통해 전해액을 주입한 후 상기 단부를 열융착에 의해 실링하는 과정; (c) 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시키는 과정; (d) 상기 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 원심력에 의해 전지셀의 상기 단부로 이동시키는 과정; 및 (e) 상기 단부에서 가스와 잉여 전해액을 제거하는 과정;을 포함하는 전지셀 제조방법을 제공한다.

Description

원심력을 이용한 이차전지의 탈기 방법 {Degassing Method of Secondary Battery Using Centrifugal Force}
본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서, (a) 전지케이스에 전극조립체를 장착한 상태에서 전지케이스의 외주면 중 일측 단부를 제외한 나머지 부위들을 열융착시켜 실링하는 과정; (b) 미실링 상태의 상기 단부를 통해 전해액을 주입한 후 상기 단부를 열융착에 의해 실링하는 과정; (c) 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시키는 과정; (d) 상기 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 원심력에 의해 전지셀의 상기 단부로 이동시키는 과정; 및 (e) 상기 단부에서 가스와 잉여 전해액을 제거하는 과정;을 포함하는 전지셀 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.
전지케이스(20)는 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다수의 음극 탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20) 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다.
이러한 파우치형 전지를 포함한 대부분의 이차전지들은 전지셀의 제조 과정에서 충방전에 의해 전지를 활성화시키는 과정을 거치는 바, 최종 전지셀의 제조를 위해서는 상기 활성화 과정에서 발생하는 가스를 제거하여야 하며, 이를 탈기(degas) 공정이라고 한다.
그러나, 상기와 같은 파우치형 전지를 제조하는 종래의 방법은, 실링한 단부를 절취하여 가스를 제거하는 탈기 공정에서 가스 제거에 많은 시간이 소요되어 제조 비용의 상승을 유발하고, 가스와 잉여 전해액이 완전히 제거되지 못하여 열융착에 의한 실링 과정에서 불량이 다수 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 원심력을 이용하여 밀도가 서로 다른 전해액과 가스를 분리하여 탈기 공정을 신속하고 용이하게 행하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 방법을 사용하여 제조되는 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 전지케이스에 전극조립체를 장착한 상태에서 전지케이스의 외주면 중 일측 단부를 제외한 나머지 부위들을 열융착시켜 실링하는 과정;
(b) 미실링 상태의 상기 단부를 통해 전해액을 주입한 후 상기 단부를 열융착에 의해 실링하는 과정;
(c) 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시키는 과정;
(d) 상기 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 원심력에 의해 전지셀의 상기 단부로 이동시키는 과정; 및
(e) 상기 단부에서 가스와 잉여 전해액을 제거하는 과정;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 활성화 과정에서 발생한 가스 등을 원심력에 의해 전지셀의 상기 단부로 이동시킴으로써, 종래의 전지셀 제조방법과 비교하여, 활성화 과정에서 발생한 가스를 용이하고 신속하게 제거할 수 있다.
더욱이, 원심력에 의해 초래되는 물질의 밀도 차에 의한 분리에 의해 기액 분리 형상이 일어나므로, 전해액 내에 포집되어 있어 일반적인 탈기 공정에서 제거하기 힘들었던 가스도 용이하게 제거할 수 있다.
참고로, 리튬 이차전지는, 예를 들어, 양극 활물질로 LiCoO2 등의 리튬 전이금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 개재하고, LiPF6 등의 리튬염을 포함하는 비수성 전해액을 넣어서 제조하게 된다. 충전시에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소층으로 삽입되고, 방전시에는 반대로 음극 탄소층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입되며, 이때 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 매질 역할을 한다. 이러한 리튬 이차전지는 기본적으로 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충분히 빠른 속도로 이온을 전달할 수 있는 성능을 가져야 한다.
그러나, 계속적인 충방전 과정에서 음극 활물질의 표면에서 전해액이 분해되면서 가스가 발생하며, 초기 충방전 과정에서 음극 활물질 표면에 SEI 막이 형성되어 추가적인 가스 발생을 억제한다. 따라서, 상기 단계(c)의 전지셀 활성화 과정은 이러한 SEI 막의 형성을 위해 필요하며, 최종적인 전지셀의 제조 이전에 반드시 요구된다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 라미네이트 시트는 외부 수지층, 공기 및 수분차단성 금속층, 및 열융착성 내부 수지층의 적층 구조로 이루어질 수 있다.
상기 외부 수지층은 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성이 필요하다. 이러한 측면에서 외부 피복층의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 피복층은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)와 비교하여 얇은 두께에서도 우수한 인장강도와 내후성을 가지므로 외부 피복층으로 사용하기에 바람직하다.
상기 내부 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 라미네이트 시트는, 상기 외부 피복층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 상기 베리어층의 두께가 20 내지 150 ㎛이며, 상기 내부 실란트층의 두께가 10 내지 50 ㎛인 구조로 이루어질 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 각 층들의 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
상기 전극조립체는 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조 등 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
전극조립체는 이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극으로 구성되고, 일반적으로 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 전극조립체가 개발되었고, 상기 구조의 전극조립체를 스택/폴딩형 전극조립체라고 한다.
상기 풀셀은 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 등을 들 수 있다.
또한, 상기 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 셀이다. 본 명세서에서는 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 셀을 "C형 바이셀"로서 칭하고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀을 "A형 바이셀"로서 칭한다. 즉, 양측에 양극이 위치하는 셀을 C형 바이셀이라 하고, 양측에 음극이 위치하는 셀을 A형 바이셀이라 한다.
이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
풀셀과 바이셀은 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 이러한 결합 방법의 바람직한 예로는 열융착 방식을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전지케이스는 다양한 형태일 수 있으며, 바람직하게는 평면상으로 사각형 구조로 이루어져 있고, 이 경우, 상기 일측 단부는 전지케이스의 일측 모서리일 수 있다.
상기 구조에서, 일측 모서리는 나머지 모서리들의 폭보다 20% ~ 300% 크고, 활성화를 위한 열융착 과정에서 상기 일측 모서리의 끝단을 실링할 수 있다.
활성화 과정에서 발생하는 가스를 포집할 수 있는 공간을 확보하기 위하여, 일측 모서리는 상기와 같이 다른 모서리들보다 폭이 큰 구조로 만들어지며, 그것의 끝단을 활성화 과정 이전에 실링하게 된다. 만약, 이러한 여유 공간 없이 전지케이스를 실링하면, 활성화 과정에서 발생하는 가스에 의해 스웰링 현상이 일어나게 되고, 또한, 가스 제거 후 다시 실링할 공간도 없어지게 되어 바람직하지 않다.
결과적으로, 일측 모서리의 폭이 나머지 모서리들의 폭보다 20% 미만이면 소망하는 가스를 일측 모서리의 공간에 충분히 포집할 수 없고, 300%를 초과하면 낭비되는 모서리의 양이 커져 제조비용이 증가하므로 경제적 측면에서 바람직하지 않다.
상기 과정(d)은, 바람직하게는, 전지셀의 상기 단부가 안쪽을 향하도록 원심 분리기에 전지셀을 장착한 후 회전시켜, 원심력에 의해 가스를 주로 전지셀의 단부로 이동시킬 수 있다. 전지케이스 내부의 한정적인 공간을 고려할 때, 잉여 전해액 역시 가스와 함께 단부로 이동할 수 있다.
상기 원심 분리기는 회전 방향에 따라 수평방향 회전기, 수직방향 회전기 또는 수평이나 수직에 대하여 일정한 각도로 회전하는 고정각 회전기 등으로 구분할 수 있다. 다만, 수직방향으로 중력이 작용하므로, 회전 위치에 따라 합력(원심력 + 중력)이 회전체에 다르게 작용할 수 있다. 따라서, 중력과 수직으로 원심력이 발생하는 수평방향 회전기를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
원심력이 발생하게 되면 회전 중심으로부터 거리가 먼 쪽으로 밀도가 높은 물질이 집중된다. 반면에, 밀도가 낮은 물질은 회전 중심으로부터 거리가 가까운 쪽으로 집중된다. 따라서, 전해액보다 밀도가 낮은 가스를 상기 단부로 이동시키기 위해서는 상기 단부가 회전기의 안쪽을 향하도록 전지셀을 장착한 후 회전시킨다.
상기 전해액과 가스는 각각 액체와 기체로서 밀도 차이가 상당히 크기 때문에, 상기 원심 분리기는 일반적인 원심분리기와 같은 정도의 회전력 또는 원심력이 필요하지 않다. 또한, 라미네이트 전지케이스의 실링 강도 등을 고려하여 적절한 회전수 및 시간으로 회전시키는 것이 필요하다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 원심 분리기는 회전 속도는 200 rpm 내지 5000 rpm 범위, 바람직하게는 500 rpm 내지 3000 rpm 범위일 수 있고, 회전 시간은 1초 내지 30초, 바람직하게는 2초 내지 15초 범위일 수 있다. 회전 속도 및 시간이 상기 범위 미만이면 전해액 내에 포집되어 있는 가스의 분리가 제대로 이루어지지 않고, 반대로 상기 범위를 초과하면 라미네이트 전지케이스의 실링 부위가 손상되거나, 전극조립체의 형태가 변형될 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 원심 분리기는 중심부에 회전축이 위치하고 상기 회전축의 외주면에 전지셀을 고정할 수 있는 그립퍼(gripper)로 구성되어 있다. 상기 그립퍼는 전지셀의 상기 회전축과 접하는 면의 일부를 고정하는 구조일 수 있고, 회전축과 접하는 면의 전체를 고정하는 구조일 수 있으며, 전지셀의 4면 모두를 고정하는 카트리지 형태일 수도 있다.
상기 고정하는 면이 클수록 안정적으로 고정되어 있을 수 있다는 장점이 있는 반면에, 공정 진행 속도가 느려진다는 단점이 있다. 상기 원심 분리기는 회전 속도를 고려하여 적절한 범위의 그립퍼를 사용할 수 있다.
상기 단부에서 가스와 잉여 전해액을 제거하는 과정(e)은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 단부의 끝단 실링부를 절개하여 가스와 잉여 전해액을 제거하거나, 전극조립체 수납부에 인접하여 실링한 후 가스가 포집되어 있는 부분을 제거하거나, 또는 파이프라인 등을 이용하여 가스와 잉여 전해액을 제거할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 과정(e)는,
(e1) 전지케이스의 내부와 통하는 관통구를 상기 단부 내측의 미실링 부위에 천공하는 과정; 및
(e2) 상기 미실링 부위에서 전지케이스의 상면과 하면을 서로 대향방향으로 잡아당겨 벌리면서 진공을 인가하여, 상기 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 제거하는 과정;
을 포함할 수 있다.
상기 방법은, 전지케이스의 내부와 통하는 관통구를 단부 내측의 미실링 부위에 천공하는 과정과 미실링 부위에서 전지케이스의 상면과 하면을 서로 대향방향(반대방향)으로 잡아당겨 벌리면서 진공을 인가하는 과정을 거치므로, 종래의 전지셀 제조방법과 비교하여, 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 용이하고 신속하게 제거할 수 있다. 또한, 진공에 의해 가스와 잉여 전해액을 완전히 제거할 수 있으므로 전지셀의 품질을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 전지케이스의 상면과 하면을 흡입 장치에 의해 서로 대향 방향으로 잡아당기면서 진공을 인가함으로써, 전지셀 내부에 발생한 가스가 진공에 의해 흡입력이 증가된 흡입 장치에 의해 외부로 용이하게 배출될 수 있다.
또한, 흡입 장치가 전지케이스의 상면과 하면을 서로 대향방향으로 잡아당기므로, 미실링 부위 내부의 높이가 높아져 흡입력이 보다 향상될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 흡입 장치는 전지케이스의 상면에 접하는 제 1 흡입 패드와 하면에 접하는 제 2 흡입 패드로 구성될 수 있다.
상기 구조에서, 제 1 흡입 패드 및 제 2 흡입 패드는 전지케이스의 외면에 접하는 밀착부, 및 상기 밀착부에 연결되어 있고 전지케이스 미실링 부위에 천공되어 있는 구멍과 연통되며 진공을 인가하는 중공부를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 가스가 신속하게 미실링 부위에 포집될 수 있도록 전지셀의 활성화를 가속시키는 수단을 포함할 수 있다.
상기 가속화를 위한 하나의 예로서, 전지셀 제조방법은, 상기 과정(c) 내지 과정(e) 중 적어도 하나의 과정에서 전해액의 온도를 높여 유동성을 증가시키기 위해 전지셀에 열을 가하는 구성을 포함할 수 있다.
상기와 같이 전지셀에 열을 가하는 구성이 전지셀을 활성화시키는 과정(c)에 포함되는 경우, 열이 전지셀의 충방전에 영향을 미칠 수 있으므로, 바람직하게는, 전지셀에 열을 가하는 구성은 상기 과정(d) 및 (e)중 하나의 과정에 포함시키는 것이 더욱 바람직하다.
특히, 상기 원심력을 가하는 과정(d)에서 열을 가하는 경우, 전해액 내부에 포집되어 있던 가스의 에너지를 높임으로써 보다 용이하게 전해액과 가스를 분리할 수 있어 바람직하다.
상기 구성에서, 열을 가하는 온도는, 예를 들어, 대략 섭씨 40도 내지 80도로 이루어질 수 있다. 상기 온도가 섭씨 40도 미만이면 소망하는 충방전에 의한 전지셀의 활성화를 가속시킬 수 없고, 섭씨 80도를 초과하면 전지셀의 활성화가 너무 활발하여 전지셀이 폭발할 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 과정(c) 내지 과정(e) 중 적어도 하나의 과정에서 전해액의 유동성을 증가시키기 위해 전지셀에 초음파를 가진하는 구성을 포함할 수 있다.
상기와 같이 전지셀에 초음파를 가진하는 구성이 전지셀을 활성화시키는 과정(c)에 포함되는 경우, 전지셀의 충방전에 영향을 미칠 수 있으므로, 전지셀에 초음파를 가진하는 구성은 상기 과정(d) 및 (e)중 하나의 과정에 포함시키는 것이 바람직하다.
특히, 상기 열을 가하는 것과 마찬가지로, 상기 원심력을 가하는 과정(d)에서 초음파를 가진하는 경우, 전해액 내부에 포집되어 있던 가스의 탈리를 도와줌으로써 보다 용이하게 전해액과 가스를 분리할 수 있어 바람직하다.
상기 구성에서, 초음파의 주파수는, 예를 들어, 대략 15 KHz 내지 100 KHz의 범위일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 상기 과정(e) 이후에, 상기 미실링 부위의 내측을 열융착하여 실링한 후, 나머지 외측 부위를 절취하는 과정을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
상기 전지셀은 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다. 상기 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막 및 리튬 함유 비수계 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은 예를 들어, 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
상기 양극 합제는 양극 활물질 이외에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등의 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4 -LiI-LiOH, Li3PO4 -Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
상기와 같은 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 전지팩에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시킨 후, 원심력에 의해 상기 활성화 과정에서 발생한 가스를 전해액과 분리시키는 과정을 포함하고 있으므로, 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 신속하고 완벽하게 제거할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2 내지 도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조방법의 순차적인 모식도들이다;
도 8 내지 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 제거 과정에서 사용되는 장치의 단면 모식도들이다;
도 11은 도 8의 흡입패드의 확대 모식도이다;
도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원심 분리기의 단면 모식도이다.
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 2 내지 도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조방법의 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 도 12와 함께 참조하여 전지셀 제조방법을 설명하면 하기와 같다.
먼저 도 2와 같이, 전극조립체(110)를 전지케이스(130)의 수납부(120)에 장착한 후 전지케이스(130)를 반으로 접는다.
다음으로 도 3과 같이, 전지케이스(130)의 수납부(120)에 전극조립체(110)를 장착한 상태에서 전지케이스(130)의 외주면 중 일측 단부(150)를 제외한 나머지 부위들을 열융착시켜 실링한다.
구체적으로, 전극단자들(112, 114)이 연결되어 있는 전극조립체(110)는 일측에 수납부(120)가 형성된 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스(130) 내에 장착되어 있다. 또한, 4 변 중 전극단자들(112, 114)을 포함하는 상변을 포함하여 3 개의 변에는 열압축에 의해 실링부(140)가 형성되어 있고, 나머지 변은 미실링 부위(150)의 상태로 남아 있다. 그러한 미실링 부위(150)를 통해 전해액을 주입한 후, 도 4와 같이 미실링 부위(150)인 일측 모서리의 끝단(162)을 열융착하고 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시킨다.
다음으로, 도 12의 원심 분리기를 통하여 전해액과 가스를 분리시킨 후, 도 5와 같이 전지케이스(130)의 내부와 통하는 관통구(163)를 단부 내측의 미실링 부위(150)에 천공한 후, 미실링 부위(150)에서 전지케이스(130)의 상면과 하면을 서로 대향방향으로 잡아당겨 벌리면서 진공을 인가하여, 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 제거한다.
마지막으로, 도 6 및 도 7과 같이 전극조립체(110)와 인접한 미실링 부위의 내측(164)을 열융착하여 실링한 후, 나머지 외측 부위를 절취하여 전지셀을 완성한다.
또한, 전지케이스(130)는 평면상으로 사각형 구조로 이루어져 있고, 일측 모서리(150)의 폭(W)은 나머지 모서리들의 폭(w)보다 200%가 크게 형성되어 있다.
도 8 내지 도 10에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 제거 과정에서 사용되는 장치의 단면 모식도들이 도시되어 있다.
먼저 도 8을 도 5와 함께 참조하면, 도 8의 가스 제거 장치(200)는 전지셀의 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 제거하는 공정에 사용되고 있고, 홀더(210), 한 쌍의 실링 블록(220), 흡입 장치(230), 및 흡입 장치(230)와 연결된 진공 흡입라인(232)으로 구성되어 있다.
홀더(210)는 관통구(163)가 천공되어 있는 전지케이스의 단부(150)가 일측 방향으로 돌출되도록 전지셀(100)을 탑재하고 있고, 실링 블록(220)은 전지케이스의 단부(150)를 열융착 실링하기 위해 홀더(210)의 외측에 위치하고 있다.
흡입 장치(230)는 관통구(163)가 천공되어 있는 전지케이스의 단부(150)에서 전지케이스의 상면과 하면을 서로 대향 방향으로 잡아당겨 벌리면서 진공을 인가하여, 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 제거한다.
도 9의 가스 제거 장치(200a)는 홀더(210)에 탑재된 전지셀(100)을 상부로부터 가압하기 위해 전지셀(100)의 상부에 위치하고 있는 프레스 블록(240)과 전지셀(100)에 열을 가하여 전지셀(100)의 활성화를 가속시키기 위한 히터(250)가 홀더의 내부에 장착되어 있는 점을 제외하고는 도 8의 가스 제거 장치(200)와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 프레스 블록(240)은 도 8의 장치(200)과 도 10의 장치(200b)에도 포함될 수 있음은 물론이다.
도 10의 가스 제거 장치(200b)는 전지셀(100)에 초음파를 가진하여 전지셀(100)의 활성화를 가속시키기 위한 초음파 가진 장치(260)가 홀더(210)의 내부에 장착되어 있는 점을 제외하고는 도 8의 제거 장치(200)와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 11에는 도 8의 흡입 장치의 확대 모식도가 도시되어 있다.
도 11을 도 5와 함께 참조하면, 흡입 장치(230)는 전지케이스의 상면에 접하는 제 1 흡입 패드(230a)와 하면에 접하는 제 2 흡입 패드(230b)로 구성되어 있다.
또한, 제 1 흡입 패드(230a)와 제 2 흡입 패드(230b)는 전지케이스(130)의 외면에 접하는 밀착부(232), 및 밀착부(232)에 연결되어 있고 전지케이스(130)의 미실링 부위(150)에 천공되어 있는 구멍(163)과 연통되며 진공을 인가하는 중공부(232)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
도 12에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원심 분리기의 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 원심 분리기(300)는 중심 부위에 회전축(310)이 위치하고 있고, 상기 회전축(310)의 외면에는 전지셀(100)을 고정하기 위한 그립퍼(gripper)(320)가 장착되어 있다. 각각의 그립퍼(320)가 전지셀(100)을 하나씩 잡고 회전함으로써 원심력에 의하여 전해액과 가스의 분리가 일어나게 된다. 상기 그립퍼(320)는 도 12와 같이 전지셀(100)의 회전축(310)과 접하는 면의 일부를 고정할 수 있지만, 상기 회전축(310)과 접하는 면 전체를 고정하는 구조이거나, 전지셀(100)의 4면 모두를 고정하는 카트리지 형태일 수도 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 (15)

  1. 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 전지케이스에 전극조립체를 장착한 상태에서 전지케이스의 외주면 중 일측 단부를 제외한 나머지 부위들을 열융착시켜 실링하는 과정;
    (b) 미실링 상태의 상기 단부를 통해 전해액을 주입한 후 상기 단부를 열융착에 의해 실링하는 과정;
    (c) 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시키는 과정;
    (d) 상기 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 원심력에 의해 전지셀의 상기 단부로 이동시키는 과정; 및
    (e) 상기 단부에서 가스와 잉여 전해액을 제거하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 외부 수지층, 공기 및 수분 차단성 금속층, 및 열융착성 내부 수지층의 적층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 평면상으로 사각형 구조로 이루어져 있고, 상기 일측 단부는 전지케이스의 일측 모서리인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 일측 모서리는 나머지 모서리들보다 20% ~ 300% 크고, 활성화를 위한 열융착 과정에서 상기 일측 모서리의 끝단을 실링하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(d)에서 전지셀의 상기 단부가 안쪽을 향하도록 원심 분리기에 전지셀을 장착한 후 회전시켜, 원심력에 의해 가스를 주로 전지셀의 단부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(e)는,
    (e1) 전지케이스의 내부와 통하는 관통구를 상기 단부 내측의 미실링 부위에 천공하는 과정; 및
    (e2) 상기 미실링 부위에서 전지케이스의 상면과 하면을 서로 대향방향으로 잡아당겨 벌리면서 진공을 인가하여, 상기 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 제거하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전지케이스의 상면과 하면을 흡입 장치에 의해 서로 대향방향으로 잡아당기면서 진공을 인가하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 흡입 장치는 전지케이스의 상면에 접하는 제 1 흡입 패드와 하면에 접하는 제 2 흡입 패드로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 흡입 패드는 전지케이스의 외면에 접하는 밀착부, 및 상기 밀착부에 연결되어 있고 전지케이스 미실링 부위에 천공되어 있는 구멍과 연통되며 진공을 인가하는 중공부를 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c) 내지 과정(e) 중 적어도 하나의 과정에서 전지셀에 열을 가하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c) 내지 과정(e) 중 적어도 하나의 과정에서 전지셀에 초음파를 가진 하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(e) 이후에, 상기 단부 내측을 열융착하여 밀봉한 후, 나머지 외측 부위를 절취하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
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