KR20120135866A - 비용 효율적인 ｌｉ 축전기 제조를 위한 건조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, (대형) 리튬 배터리 팩을 제조하는 방법에 있어서, 하나 이상의 전기화학 셀을 제공하는 단계; 하나 이상의 전기화학 셀을 파우치로 도입시키는 단계; 하나 이상의 전기화학 셀을 갖는 파우치를 부분적으로 밀봉하는 단계; 하나 이상의 전기화학 셀의 갖는 파우치를 건조 오븐으로 도입시키는 단계; 파우치를 사전 정의된 시간 동안 건조 오븐 내에 유지하는 단계; 파우치를 건조 오븐으로부터 제거하는 단계; 건조된 파우치를 전해질 충전 스테이션으로 이송하는 단계; 파우치를 전해질로 충전시키는 단계; 및 파우치를 밀봉하는 단계를 포함하고, 상기 단계들은 정상 제조 환경 상태 하에서 수행되고, 선택된 중요 제조 단계만이 건조실 상태 하에서 수행되는 리튬 배터리 팩 제조 방법에 관한 것이다.

Description

비용 효율적인 ＬＩ 축전기 제조를 위한 건조 방법{Drying process for cost effective production of LI-accumulators}

본 발명은 배터리 팩을 위한 대형 리튬 셀의 제조에 관한 것이다.

배터리 팩을 위한 대형 리튬 셀의 제조에 있어서, 물이 부식 및 용량 손실, 전력 성능 손실 등과 같은 각각의 셀의 성능 손실을 초래할 수 있는 부작용을 야기할 수 있기 때문에, 리튬 셀은 최소한의 물만을 함유하여야 한다는 것이 알려진 문제점이다.

리튬 셀 내의 물의 함유는 일반적으로 30 ppm 미만이어야만 한다. 보통, 이는 엄격한 건조 상태 하에서 재료와 공정을 처리함으로써 획득된다. 기계 및 재료는 감소된 습도를 갖는 건조실로 제공된다. 그러나, 필요한 제조 설비를 수용할 수 있는 완전한 크기의 건조실의 건축 및 유지는 매우 많은 비용이 소모된다.

건조실에 대한 다른 문제점은, 제조 공정에 필수적인 재료가 건조실에 투입되어야만 하는 것처럼, 제조 기계를 운전하는데 필요한 직원이 건조실 상태와 간섭하지 않으면서 건조실에 드나들 수 있어야만 한다는 것이다. 인체는 이러한 건조실로 실질적인 양의 습기를 운반할 수 있다. 기계, 재료 및 사람을 투입하기 위하여 개방되면, 리튬 작업 환경으로 다시 도달하는데 장시간이 소요되며, 이는 비생산적이고 전체 공정이 고비용을 들게 한다. 또한, 습기는 제조 공정을 제어하는데 어려운 점을 발생시킬 수 있어, 더 낮은 등급의 제품을 야기한다. 또한, 극도의 건조한 환경에 장시간의 기간 동안 노출되는 종업원의 더욱 어려운 작업 환경을 야기한다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것은 리튬 셀 제조용 재료가 건조실로 투입되기 전에 사전 건조되는 것이며, 이는 유입되는 습기의 양을 감소시킨다. 그러나, 이는 매우 넓은 부피의 건조실이 형성되어 유지되어야만 한다는 사실로부터 발생하는 일반적인 문제점을 해결하지 않는다.

따라서, 전술한 문제점을 효율적으로 극복하는 대형 리튬 셀의 제조에 대한 해결 방안에 대한 요구가 여전히 있다.

전기화학 셀 스택을 조립하는 단계; 조립된 스택을 파우치로 도입시키는 단계; 전기화학 셀 스택을 갖는 파우치를 부분적으로 밀봉하는 단계; 전기화학 셀 스택을 갖는 파우치를 건조 오븐으로 도입시키는 단계; 파우치를 사전 정의된 시간 동안 건조 오븐에 유지하는 단계; 건조된 파우치를 전해질 충전 스테이션으로 이송하는 단계; 파우치를 전해질로 충전시키는 단계; 및 파우치를 완전히 밀봉하는 단계를 포함하고, 본 방법은 제조 단계들이 정상 제조 환경 상태 하에서 수행되고, 선택된 중요 제조 단계만이 건조실 상태 하에서 수행되는 점에서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지된 사항과 상이한 대형 리튬 배터리 팩 제조 방법이 제안된다.

본 방법은, 건조실 상태가 불활성 기체 또는 건조 공기 하에서 유지되는 건조 오븐 및/또는 전해질 충전 스테이션과 같은 선택된 기계에만 한정되면서, 제조 공정의 중요 부분만이 건조실 상태 하에서 유지되기 때문에, 건조실이 필요하지 않은 정상 작업 환경에서 처리될 수 있는 대형 리튬 셀의 제조를 허용한다.

바람직하게는, 제조 단계 중 정의된 부분은 파우치를 건조 오븐으로 도입시키는 단계, 파우치를 건조 오븐 내에 유지하는 단계 및 파우치를 건조 오븐으로부터 제거하는 단계를 포함하지만, 파우치를 전해질로 충전하는 단계도 포함할 수 있다. 건조 오븐은 200 ℃까지의 온도 범위를 가지지만, 일반적으로 120 ℃에서 유지된다. 압력 범위는 0 내지 400 mbar abs.를 가지며, 일반적으로 50 mbar abs.이고, 일정하거나 가변한다. 마지막으로, 건조 시간은 1 시간 내지 100 시간의 범위를 가지지만, 일반적으로 12 시간 내지 48 시간 사이에 유지된다.

이러한 상태 하에서, 접착체 수분, 다공질 또는 결정질 물일 수 있는 물은 셀 밖으로 확산할 것이다.

오븐은 진공 기술을 위하여 구축된 중앙 챔버를 포함할 수 있다. 그 형상은 관계없다. 개념은 모듈식이다. 셀을 건조 오븐 내로 투입하거나 그 밖으로 방출하기 위하여, 2개의 에어락(airlock)이 제공될 수 있다.

건조 오븐 내에서, 셀은 임의의 편리한 방법으로 저장될 수 있으며, 건조하는 동안 이동될 수 있거나 이동되지 않을 수 있다.

파우치를 건조 오븐으로부터 충전 스테이션으로 이송하기 위하여, 건조실 상태 하의 터널이 사용될 수 있다.

다른 바람직한 실시예에서, 파우치는 제조 공정을 통해 연속적으로 이동될 수 있다.

물의 추출이 대형 셀에 대하여 더 어려워지기 때문에, 물의 추출은 대형 리튬 셀이 갖는 특별한 문제라는 것이 지적될 수 있다. 대형 리튬 셀은 적어도 한 치수에서 대략 10 cm 이상의 치수를 갖는 리튬 셀로 고려된다. 이 치수는 훨씬 더 커질 수 있다. 대형 리튬 셀의 일반적인 예는 DIN A5 형식에 대응하는 치수 또는 더 큰 치수를 가질 수 있지만, 가능한 형식은 특정의 길이 대 폭의 비에 한정되지 않는다. 대형 리튬 셀은 일반적으로 양극(anode)과 음극(cathode)의 적어도 2개의 전극과, 양극 및 음극 사이에 배열된 분리기(separator)를 포함한다. 이중 셀(bi-cell) 구성에서, 대형 리튬 셀은 하나의 양측(double sided) 양극, 양극의 양측에 배열된 2개의 분리기 및 2개의 음극, 또는 하나의 양측 음극, 음극의 양측에 배열된 2개의 분리기 및 2개의 양극을 일반적으로 포함한다. 각 전극은, 예를 들어 금속 포일과 활성 전극 재료의 형태를 갖는 콜렉터를 포함한다. 다양한 콜렉터 재료, 다양한 활성 전극 재료 및 다양한 분리기 재료가 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지되어 있다. 본 발명은 특정 재료 또는 재료 조합에 한정되지 않는다. 콜렉터 사이의 갭의 폭은 일반적으로 1 mm 미만이다. 전극의 중간으로부터 에지까지의 일반적인 측부 확산 거리는 10 내지 20 cm 사이이다. 목표는 균일한 건조 상태의 셀을 갖는 것이다.

향상된 건조를 위하여 특별한 "수증기를 셀 밖으로 펌핑하는" 효과가 적용될 수 있다. 압력 변동이 오븐에 적용된다. 예를 들어, 압력은 200 mbar abs.으로 감소된다. 소정의 시간 후, 구조 내에서 수증기압에 관련된 평형 상태가 있을 것이다. 느린 과정이지만, 소정의 부분이 셀로부터 확산된다. 물의 수송을 향상시키기 위하여, 오븐 내의 압력은 감소되고, 수증기는 셀로부터 이송된다. 이 사이클의 반복은 셀 내의 물 함량이 점진적으로 감소되게 한다.

또한, 건조 공정은 반드시 완벽한 건조를 제공하여야만 하는 것은 아니다. 여분의 적은 물이 셀 내에 남아 있을 수 있다. 이것은 예를 들어 300 ppm일 수 있다. 이러한 잔류하는 물은 추후 전해질 내에서 충진함으로써 30 ppm 미만의 값으로 켄치된다(quenched).

제안된 바와 같은 방법은 리튬 배터리 기술에서 적용가능한 임의의 양극 재료, 임의의 음극 재료, 임의의 분리기 재료 및 임의의 전해질을 포함하는 리튬 배터리 기술에서의 임의의 재료에 대하여 사용될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 방법 및 건조 오븐의 바람직한 실시예에 대한 비한정적인 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 다른 특징 및 특성이 아래의 첨부된 도면을 참조하여 획득될 수 있다:
도 1은 원형 진공 건조 오븐의 개략도이다; 그리고,
도 2는 진공 튜브를 갖는 건조 오븐에 대한 모듈식 개념의 개략도이다.

도 1에서, 하부에서 폐쇄되고 상부에서 개방된 오븐 배럴(barrel)(4)과, 기밀 방식으로 오븐 배럴(4)을 닫는 오븐 덮개(6)를 갖는 원형 진공 오븐(2)의 개략도가 도시된다.

뒤쪽에는 내부 튜브(8)가 도시되고, 앞쪽에는 유사한 출구 튜브(10)가 도시되며, 이를 통해 리튬 배터리 셀(12)을 갖는 트레이(미도시)가 오븐 배럴(4)에 통과하여 들어갈 수 있다. 본 특정 실시예에서, 배터리 셀을 갖는 트레이는 연속 이동 벨트(14) 상에서 오븐 배럴의 내외로 이동되고, 이는 물론 배터리 셀을 오븐(2)의 내외로 이동시키는 임의의 다른 수단에 의해 교체될 수 있다.

오븐(2) 내외로 이동되는 도 1의 대형 리튬 배터리 셀은 건조 오븐(2)에 도입할 때 부분적으로 밀봉되는 파우치 내로 도입된 전극 스택을 포함한다.

도 1에 도시된 실시예에서, 배터리 셀을 형성하는 전극 스택을 갖는 부분적으로 밀봉된 파우치는, 입구 튜브(8)를 통해 오븐(2)으로 들어가는 이동 벨트(14)와, 출구 튜브(10)를 통해 오븐을 나오는 벨트(14) 사이에서, 120 ℃의 온도와 일정하거나 가변일 수 있는 50 mbr abs.의 압력에서 12 시간 내지 48 시간 사이의 건조 시간 동안 시간 제어 방식으로 천천히 이동된다.

도 2에서, 진공 튜브(18)를 포함하는 건조 오븐(16)에 대한 모듈식 개념의 개략도가 도시된다. 도 2의 뒤쪽에서 알 수 있는 바와 같이, 배터리 셀(12)은 입구 게이트(22)와 출구 게이트(24)를 갖는 입구 락(inlet lock)(20)을 통해 오븐(16), 즉, 진공 튜브(18)로 이동 벨트(14) 상에서 다시 이동된다. 그 다음, 배터리 셀(12)은, 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 사전 정의된 시간 동안 오븐(16)의 진공 튜브(18)를 통해 이동되어, 입구 게이트(28)와 출구 게이트(30)를 갖는 다른 출구 락(outlet lock)(26)을 통해 오븐을 빠져나온다.

건조된 배터리 셀은, 출구 게이트(30)로부터, 불활성 기체 또는 건조 공기에 의한 건조 분위기 하에 유지되는 이송 채널(32)을 통해, 도 2에 도시된 실시예에서 역시 건조 분위기 하에서 유지되는 유리 구획실(compartment)인 전해질 충전 스테이션(Electrolyte Filling Station)(34)으로 이동된다.

이 전해질 충전 스테이션(24)으로부터, 배터리 셀은 처리 스테이션(handling station)(36)으로 이동한다.

도 2의 설정에서, 오븐(16), 이송 터널(32) 및 전해질 충전 스테이션(34)만이 건조실 상태 하에서 유지되어, 배터리 팩이 제조되는 완전한 건조실을 건설할 필요가 더 이상 없다.

Claims (12)

1. (대형) 리튬 배터리 팩을 제조하는 방법에 있어서,
   하나 이상의 전기화학 셀을 제공하는 단계;
   상기 하나 이상의 전기화학 셀을 파우치로 도입시키는 단계;
   상기 하나 이상의 전기화학 셀을 갖는 상기 파우치를 부분적으로 밀봉하는 단계;
   상기 하나 이상의 전기화학 셀의 갖는 상기 파우치를 건조 오븐으로 도입시키는 단계;
   상기 파우치를 사전 정의된 시간 동안 상기 건조 오븐 내에 유지하는 단계;
   상기 파우치를 상기 건조 오븐으로부터 제거하는 단계;
   건조된 상기 파우치를 전해질 충전 스테이션으로 이송하는 단계;
   상기 파우치를 전해질로 충전시키는 단계; 및
   상기 파우치를 밀봉하는 단계
   를 포함하고,
   상기 단계들은 정상 제조 환경 상태 하에서 수행되고, 선택된 중요 제조 단계만이 건조실 상태 하에서 수행되는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 선택된 중요 제조 단계는, 상기 파우치를 상기 건조 오븐으로 도입시키는 단계, 상기 파우치를 상기 건조 오븐 내에 유지하는 단계 및 상기 파우치를 상기 건조 오븐으로부터 제거하는 단계를 포함하는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 파우치를 전해질로 충전시키는 단계는 건조실 상태 하에서 수행되는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 파우치는, 건조실 상태 하의 터널을 통해 상기 건조 오븐으로부터 상기 충전 스테이션으로 이송되는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 파우치는 제조 공정 동안 연속적으로 이동되는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 건조실 상태는 건조 기체 또는 건조 공기에 의해 유지되는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 건조 오븐은 진공 하에서 유지되고,
   상기 파우치를 상기 건조 오븐으로 도입시키는 단계와 상기 파우치를 상기 건조 오븐으로부터 제거하는 단계는 각각의 에어락(air-lock)을 통해 수행되는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 전기화학 셀의 각각은 적어도 2개의 전극과 적어도 하나의 분리기(separator)를 포함하는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 건조 오븐 내의 진공은, 펌핑 효과를 획득하도록, 상기 파우치가 상기 오븐 내에서 유지되는 시간 동안 가변되는,
   리튬 배터리 팩 제조 방법.
   
10. (대형) 리튬 배터리 팩을 제조하는 장치에 있어서,
    건조 오븐;
    전해질 충전 스테이션; 및
    파우치 밀봉 스테이션
    을 포함하고,
    상기 건조 오븐, 상기 전해질 충전 스테이션 및 상기 파우치 밀봉 스테이션은 파우치 이송 시스템에 의해 연결되고,
    상기 건조 오븐, 상기 전해질 충전 스테이션 및 상기 파우치 밀봉 스테이션은 건조 공기 또는 불활성 기체를 충전하기 위한 밀봉된 제조 체적부를 포함하는,
    리튬 배터리 팩 제조 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 오븐은 입구 및 출구에 각각 에어락(airlock)을 갖는 진공 압력 오븐인,
    리튬 배터리 팩 제조 장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 건조 오븐은 가변 진공 압력 오븐인,
    리튬 배터리 팩 제조 장치.

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