KR20130131522A - 전지케이스 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시트형 모재에 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부에 대응하는 형상의 펀치를 사용하여 전지케이스를 제조하는 방법으로서, (a) 펀치에 외형에 대응하는 내면 형상이 각인되어 있는 다이 상에 모재를 위치시킨 후, 수납부가 형성될 부위에 펀치를 사용하여 모재를 1차 가압하는 과정; (b) 상기 1차 가압된 부위에 펀치를 재차 사용하여 2차 가압함으로써 수납부를 형성하는 과정; 및 (c) 모재를 절취하여 전지케이스를 제조하는 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법을 제공한다.

Description

전지케이스 제조 방법 {Process for Preparation of Battery Case}

본 발명은 전지케이스 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 시트형 모재에 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부에 대응하는 형상의 펀치를 사용하여 전지케이스를 제조하는 방법으로서, (a) 펀치에 외형에 대응하는 내면 형상이 각인되어 있는 다이 상에 모재를 위치시킨 후, 수납부가 형성될 부위에 펀치를 사용하여 모재를 1차 가압하는 과정; (b) 상기 1차 가압된 부위에 펀치를 재차 사용하여 2차 가압함으로써 수납부를 형성하는 과정; 및 (c) 모재를 절취하여 전지케이스를 제조하는 과정;을 포함하는 전지케이스 제조 방법에 관한 것이다.

이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지의 사용은 작동전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 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 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉한 형태로 많이 사용되고 있다. 따라서, 리튬이온 폴리머 전지를 종종 파우치형 전지로 칭하기도 한다.

도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 리튬이온 폴리머 전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 리튬이온 폴리머 전지(10)는, 파우치형의 전지케이스(20) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)이 두 개의 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 전지케이스(20)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일측이 연결되어 있는 덮개(22)로 이루어져 있다.

리튬이온 폴리머 전지(10)에 사용되는 전극조립체(30)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리롤형 구조 또는 스택/폴딩형 구조도 가능하다. 스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 있다.

이러한 폴리머 전지용 전지케이스(20)는, 수납부(23)에 대응하는 형상의 펀치를 사용하여 시트형의 모재, 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트의 모재를 가압하여 변형시킨 후, 수납부(23)의 길이방향으로 덮개의 크기 및 폭 방향으로 가스 포켓에 대응하는 크기로 절단함으로써 제조된다.

참고로, 상기 커터는 모재로부터 전극조립체를 절취할 수 있는 구조 내지 특성을 가지고 있다면, 그것의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 대표적으로, 금속 나이프와 같은 재단용 나이프, 레이저 등과 같은 재단용 광원 등을 사용할 수 있다.

따라서, 폴리머 전지(10)는 수납부(23)에 전극조립체(30)를 안착한 후 덮개(22)를 덮고 본체(21)과의 접촉 부위를 열융착시킨 뒤 활성화 및 숙성 단계를 거치게 되는데, 이때 발생하는 가스를 제거하기 위해 가스 포켓을 가진 전지케이스를 일차 밀봉하여 활성화 단계를 거치며, 가스 포켓을 통해 가스를 제거하고 수납부에 대응하는 크기로 재차 밀봉한 후 가스 포켓을 절취함으로써 제조된다.

그러나, 파우치형 전지의 특성상 상기 수납부를 형성하기 위해 모재에 대한 펀치의 가압 과정에서 응력이 내재된 상태에서 모재가 수납부의 두께 방향으로 연신되므로 수납부의 포밍(forming) 폭에 대한 정확한 성형이 어렵다는 문제점이 있다.

즉, 상기의 방법으로 모재를 가압할 경우, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 수납부의 코너에는 주름(A) 및 백화 현상(B)이 발생하고, 이에 따라 약 6.7 mm 이상의 포밍 폭의 확보가 어려울 뿐만 아니라, 수분 침투가 발생할 수 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해소하면서 전극조립체를 내장할 수 있는 수납부의 공간을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은, 시트형 모재에서 수납부가 형성될 부위에 펀치를 사용하여 1차 가압과 2차 가압을 수행하여 수납부를 형성함으로써, 수납부의 정밀도를 높이고, 더욱 깊은 수납부를 가질 수 있으며, 안전성을 확보한 전지케이스의 제조방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지케이스 제조방법은, 시트형 모재에 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부에 대응하는 형상의 펀치를 사용하여 전지케이스를 제조하는 방법으로서,

(a) 펀치에 외형에 대응하는 내면 형상이 각인되어 있는 다이 상에 모재를 위치시킨 후, 수납부가 형성될 부위에 펀치를 사용하여 모재를 1차 가압하는 과정;

(b) 상기 1차 가압된 부위에 펀치를 재차 사용하여 2차 가압함으로써 수납부를 형성하는 과정; 및

(c) 모재를 절취하여 전지케이스를 제조하는 과정;

을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

종래의 전지케이스는 모재에 수납부 형상의 펀치를 이용하여 가압할 때 모재에 내재된 응력에 불구하고 계속적인 연신으로 인해, 불량률이 높고, 깊은 수납부의 형성이 어려우며, 안전성에 문제가 있었다.

이러한 종래기술의 전지케이스와 비교할 때, 본 발명에 따른 전지케이스는 수납부가 형성될 부위에 펀치를 사용하여 모재를 1차 및 2차의 단계적 가압 방식으로 형성되므로, 수납부의 형상이 용이하고, 응력 분산 내지 완화에 의해 수납부의 깊이를 극대화할 수 있으며, 수납부의 내부 공간의 정밀도를 확보할 수 있다.

상기 모재는, 예를 들어, 파우치형 전지에 적합한 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 구체적으로는 제 1 고분자 수지의 상층, 차단성 금속의 중간층, 및 제 2 고분자 수지의 하층으로 이루어질 수 있다. 여기서, 제 1 고분자 수지층은 바람직하게는 열융착성 고분자 수지일 수 있으며, 예를 들어, 무연신 폴리프로필렌 수지일 수 있다. 상기 차단성 금속은 예를 들어 알루미늄일 수 있으며, 상기 제 2 고분자 수지는 나일론 수지, 폴레에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지 등을 수 있다. 그러나, 소재의 종류가 상기 예들로 한정되지 않음은 물론이다.

또한, 최근 고용량화로 인한 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공에 따라, 본 발명이 적용되는 모재의 두께는 바람직하게는 1 mm 내지 3 mm의 범위 내에 있을 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 펀치에 의해 가압된 수납부의 깊이는 상기 1차 가압과 2차 가압에 의한 연신에 의해 수납부의 깊이가 조율되는 바, 1차 가압은 전극조립체의 두께를 기준으로 30% 내지 70%의 깊이로 가압하는 것이 바람직하며, 40% 내지 60% 깊이로 가압하는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같이 1차 가압된 부위에 2차 가압은 전극조립체의 두께를 기준으로 30% 내지 70%의 깊이로 가압하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40% 내지 60% 깊이로 가압할 수 있다.

상기 1차 가압과 2차 가압시의 깊이 편차가 너무 작거나 반대로 너무 큰 경우에는 앞서 설명한 바와 같은 응력 불균형에 의해 소망하는 수납부의 깊이를 가질 수 없으므로 바람직하지 않다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 전지케이스의 연신율은 60% 내지 90%일 수 있으며 더욱 바람직하게는 70% 내지 85%일 수 있다.

일반적으로, 펀치를 사용한 가압에 의해 수납부를 형성하는 경우, 연신율이 70% 이상일 때 전지케이스로서 사용이 용이하다.

이에 대해, 본 발명에 적용되는 전지케이스는, 1차 가압과 2차 가압에 의해 특정 부위에 발생하는 연신과 그로 인한 내재 응력을 분산시키거나 완화시켜 연신율을 최대 85%까지 증가시킬 수 있으므로, 전지케이스를 보다 얇게 형성할 수 있으며, 수분 침투에 대한 문제점 등을 미연에 방지할 수 있다.

결과적으로, 상기 1차 가압과 2차 가압에 의해 모재가 연신되는 부위를 넓게 분포시킴으로써, 상기 수납부의 코너에는 주름과 백화현상이 발생하지 않거나 매우 작게 발생한다.

상기 1차 가압과 2차 가압의 공정 시차는 재차 가압을 이룰 수 있는 정도의 시차라면 크게 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 0.5초 이상, 더욱 바람직하게는 0.5초 내지 10분일 수 있다.

한편, 상기 2차 가압 후 형성된 수납부의 깊이는 7 내지 9 mm일 수 있다. 즉, 종래기술과 비교하여 상대적으로 깊은 수납부를 확보할 수 있고 결과적으로 대용량의 전지셀 제조에 적합한 전지케이스를 형성할 수 있으므로 매우 바람직하다.

1차 가압에 사용되는 펀치 및 다이와 2차 가압에 사용되는 펀치 및 다이는 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 바람직하게는, 동일한 펀치와 다이를 사용하여 1차 가압과 2차 가압을 단계적으로 수행함으로써 공정 효율성을 높일 수 있다.

한편, 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.

본 발명은 또한 상기의 방법으로 제조된 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전기화학 셀을 제공한다. 이러한 전기화학 셀은 전지케이스의 수납부가 형성될 부위에 펀치를 사용하여 모재를 1차 가압 및 2차 가압하여 형성된 전지케이스에 전해액이 함침되어 있는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.

이러한 전기화학 셀은 대용량을 제공할 뿐만 아니라, 안전성과 수명 특성이 우수하다.

본 발명에 따른 전지화학 셀은 상기와 같은 구조를 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 중대형 전지모듈을 제공하며, 이러한 중대형 전지모듈을 포함하는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스는 전지모듈로부터 동력을 받아 작동하는 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), 또는 전력저장용 시스템일 수 있다.

전지모듈 및 이러한 전지모듈을 사용하는 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 시트형 모재에서 수납부가 형성될 부위에 펀치를 사용하여 1차 가압과 2차 가압을 수행하여 수납부를 형성함으로써, 수납부의 정밀도를 높이고, 더욱 깊은 수납부를 가지며, 안전성을 확보한 전지케이스를 용이하게 제조할 수 있다

도 1은 종래의 리튬이온 폴리머 전지의 분해도이다;
도 2 및 도 3은 도 1의 수납부의 부분 사진이다;
도 4 내지 6은 본 발명에 따른 전지케이스를 제조하는 방법을 순서대로 나타내는 모식도이다;
도 7 및 도 8은 도 6의 수납부의 부분 사진이다.

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 4 내지 도 6에는 본 발명에 따른 전지케이스를 제조하는 방법을 모식도가 순서대로 도시되어 있다.

우선, 도 4를 참조하면, 시트형 모재(200)는 2 mm 두께의 라미네이트 시트로서, 수지층과 금속층을 포함하고, 구체적으로 제 1 고분자 수지의 상층, 차단성 금속의 중간층, 및 제 2 고분자 수지의 하층으로 이루어져 있다. 제 1 고분자 수지의 상층은 전지의 제조 과정에서 열융착되어 밀봉성을 제공한다.

구체적으로, 모재(200)에 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부(223)에 대응하는 형상의 펀치(100)를 사용하여 전지케이스를 제조하는 방법에서, 우선, 펀치(100)에 외형에 대응하는 내면 형상이 각인되어 있는 다이(150) 상에 모재(200)를 위치시킨다.

그런 다음, 도 5에서 도시한 바와 같이, 수납부(223)가 형성될 부위에 펀치(100)를 사용하여 모재를 1차 가압한다. 1차 가압은 전극조립체(30)의 두께를 기준으로 약 50%의 깊이(h)로 수행한다.

이후, 1차 가압과 2차 가압의 공정 시차는 약 1초로 하여, 도 6에서 도시한 바와 같이, 1차 가압된 부위에 펀치(100)를 재차 사용하여 2차 가압함으로써 수납부(223)를 형성한다.

2차 가압은 전극조립체(30)의 두께를 기준으로 약 50%의 깊이(H)로 수행하며, 이후 모재를 절취하여 전지케이스를 제조한다.

이때, 상기 2차 가압 후 형성된 수납부의 깊이(H)는 9 mm이며, 도 7 및 8에서 보는 바와 같이 수납부(223)의 코너에는 종래기술과 비교하여 주름(A)과 백화현상(B)이 거의 없거나 현저히 감소함을 확인할 수 있다.

한편, 전극조립체는 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어져 있고, 그것의 두 개의 전극단자에 용접되어 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다면, 젤리-롤형 또는 스택형일 수 있으며, 특별히 제한되지는 않는다.

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 (14)

1. 시트형 모재에 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부에 대응하는 형상의 펀치를 사용하여 전지케이스를 제조하는 방법으로서,
   (a) 펀치에 외형에 대응하는 내면 형상이 각인되어 있는 다이 상에 모재를 위치시킨 후, 수납부가 형성될 부위에 펀치를 사용하여 모재를 1차 가압하는 과정;
   (b) 상기 1차 가압된 부위에 펀치를 재차 사용하여 2차 가압함으로써 수납부를 형성하는 과정; 및
   (c) 모재를 절취하여 전지케이스를 제조하는 과정;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 모재는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 모재는 제 1 고분자 수지의 상층, 차단성 금속의 중간층, 및 제 2 고분자 수지의 하층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 모재의 두께는 3 mm 이하인 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 1차 가압은 전극조립체의 두께를 기준으로 30% 내지 70%의 깊이로 가압하는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 2차 가압은 전극조립체의 두께를 기준으로 30% 내지 70%의 깊이로 가압하는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 연신율은 60% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 2차 가압 후 형성된 수납부의 깊이는 7 내지 9 mm인 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부의 코너에는 주름과 백화현상이 없는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조인 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
13. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
14. 제 13 항에 따른 중대형 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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