KR20140018695A - 파우치형 이차전지의 실링방법 - Google Patents

파우치형 이차전지의 실링방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 조립체를 파우치형 전지케이스에 넣고, 상기 파우치형 전지케이스의 일부 영역이 개봉되어 형성되는 주입구를 통해 전해액을 주입하는 단계 상기 주입구의 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계 상기 파우치형 전지케이스를 가실링한 후, 초기화 충방전을 실시하는 단계 상기 파우치형 전지케이스의 일부영역을 개봉하여 내부에 발생된 가스를 디개싱하는 단계 및 상기 파우치형 전지케이스의 개봉된 영역을 리실링하는 단계 를 포함하는 파우치형 이차전지의 실링방법에 관한 것이다.

Description

파우치형 이차전지의 실링방법{The sealing method of pouch type secondary battery}
본 발명은 파우치형 이차전지의 실링방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 파우치형 이차전지의 디개싱 과정에서 전해액 주입구에 묻은 전해액을 초음파 가진을 이용하여 제거함으로써, 절연 저항 불량을 감소시키기 위한 파우치형 이차전지의 실링방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.
또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기에서는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 배터리 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에서는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 단위전지로서 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.
중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 배터리 셀로서 주로 사용되고 있다. 그 중에서도, 중량이 작고 전해액의 누액 가능성이 적으며 제조비가 저렴한 파우치형 전지가 특히 많은 관심을 모으고 있다.
통상적으로 사용되는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치형 전지케이스는 도시된 바와 같이 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열접착층인 폴리올레핀계 수지층(Polyolepin Layer), 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속층인 알미늄층(AL/Aluminum Layer:13), 기재 및 보호층으로 작용하는 나일론층(Nylon Layer:11)이 적층된 다층막구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.
파우치형 이차전지는 형태에 융통성을 가질 수 있고 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있다.
한편, 파우치형 전지는 제조과정에서 음극, 분리막 및 양극을 포함하는 전지 조립체를 파우치형 포장재 안에 넣고, 전해액을 주입한 후 가장자리를 실링한다. 그런 다음, 몇 회의 충방전 사이클을 통해 전지를 활성화 시킨다. 이 과정에서 가스가 발생되는데 이를 디개싱하기 위해 파우치의 실링부를 일부 개봉한 다음 재실링하는 과정을 거친다.
이러한 리실링 과정에서는 파우치의 실링 대상 부위 내부 벽면에 묻어있는 전해액이 같이 실링되는 교착 실링이 발생되거나, 최종 실링 과정에서 진공 흡입을 시킬 때 전해액의 기상 분자들이 확산에 의해 실링부에 침투하게 된다.
이와 같이 실링부에 침투된 전해액 분자들에 의한 국부적인 디펙트(defect) 또는 마이크로 크랙(micro crack)은 외부와의 전기적 통로가 되어 전지의 절연저항을 파괴시킴은 물론, 전지 내부에 수분 침투 통로가 되며, 실링 강도를 현저히 저하시키는 원인이 된다.
상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해, 유럽특허 제0994519호(공개일 2000.04.19, 명칭 : Electrolyte solution filling method and battery structure of lithium secondary battery)에서는 권취된 전지셀의 탑(top) 부분에 연결된 노즐을 통해 전해액을 인젝팅함으로써 전해액을 셀에 함침시키는 것을 특징으로 하는 전지셀에 전해액을 채우는 방법을 제시하였다.
하지만 상기 방법에 의하더라도 전해액의 교착 실링 문제를 만족스럽게 해결할 수 없어, 전해액의 교착 실링 문제를 해결하기 위한 기술개발이 여전히 필요한 실정이다.
유럽특허 제0994519호(공개일 2000.04.19, 명칭 : Electrolyte solution filling method and battery structure of lithium secondary battery)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 디개싱 과정에서 전해액 주입구에 묻은 전해액을 제거함으로써, 절연 저항 불량을 감소시키기 위한 파우치형 이차전지의 실링방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 전극조립체를 파우치형 전지케이스에 넣고, 상기 파우치형 전지케이스의 일부 영역이 개봉되어 형성되는 주입구를 통해 전해액을 주입하는 단계; 상기 파우치형 전지케이스를 가실링한 후, 초기화 충방전을 실시하는 단계; 상기 파우치형 전지케이스의 일부영역을 개봉하여 내부에 발생된 가스를 디개싱하는 단계; 상기 주입구의 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계; 및, 상기 파우치형 전지케이스의 개봉된 영역을 리실링하는 단계; 를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액을 주입하는 단계 이후에 상기 주입구 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계가 더 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는 상기 주입구의 양측 외주면에 수평 또는 수직방향으로 초음파 진동을 가해줄 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는 상기 주입구의 하단부에 인접하여 초음파 진동을 가해줄 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는 15~30khz의 초음파 진동을 가해줄 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는 초음파 가진 지점을 상기 주입구의 상측에서 하측방향으로 이동시켜 초음파 진동을 복수 회 가해줄 수 있다.
본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 파우치형 이차전지의 디개싱 과정에서 전해액 주입구에 묻은 전해액을 초음파 가진을 이용하여 제거함으로써, 절연 저항 불량을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 절연 저항을 높임으로써, 파우치형 전지케이스의 부식을 막을 수 있어 수명을 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액 제거로 수분 침투 경로를 차단함으로써, 밀봉성 및 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 초음파 가진 지점을 주입구의 하단부 또는 상,하 방향으로 이동시켜 초음파 진동을 복수해 가해줌으로써, 주입구에 묻어있는 전해액의 제거율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 파우치형 이차전지의 일실시예를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법에서 전해액을 주입하는 단계를 나타낸 개략도.
도 3은 도 2에서 나타낸 파우치형 이차전지의 aa' 방향으로의 단면도.
도 4는 초음파 진동을 가해주는 단계를 나타낸 단면도.
도 5는 리실링하는 단계를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법의 순서를 나타낸 순서도.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 일실시예를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 파우치형 이차전지의 실링부를 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 또 다른 실시예를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 파우치형 이차전지의 실링부를 나타낸 단면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 파우치형 이차전지를 나타낸 정면도이다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법은 전극조립체(200)(200)를 파우치형 전지케이스(100)에 넣고, 파우치형 전지케이스(100)의 일부 영역이 개봉되어 형성되는 주입구(130)를 통해 전해액을 주입하는 단계; 파우치형 전지케이스(100)를 가실링한 후, 초기화 충방전을 실시하는 단계; 파우치형 전지케이스(100)의 일부영역을 개봉하여 내부에 발생된 가스를 디개싱하는 단계 주입구(130)의 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계; 및, 파우치형 전지케이스(100)의 개봉된 영역을 리실링하는 단계; 를 포함하여 형성된다.
일반적으로 파우치형 이차전지(1)는 크게 전극조립체(200), 파우치형 전지케이스(100)를 포함하여 형성된다.
전극조립체(200)는 음극판(230)과 양극판(240)을 포함하며, 음극판(230)과 양극판(240) 사이에 분리막이 개재되고, 음극판(230) 및 양극판(240)으로부터 음극 탭(210) 및 양극 탭(220)이 각각 연장 형성된다.
도 1에서 도시된 파우치형 이차전지(1)의 전극조립체(200)는 음극판(230)과 양극판(240) 사이에 분리막이 개재된 다음, 권취되어 형성된 젤리롤 형태이지만, 이 외에도, 일정 크기로 컷팅된 음극판(230)과 양극판(240) 사이에 분리막이 개재되도록 복수 회 적층되는 적층형 전극조립체(200)일 수도 있으며, 특정 형태로 한정되지 않는다.
한편, 파우치형 전지케이스(100)는 내부에 공간부가 구비되어 공간부에 전극조립체(200)가 수용되며, 음극 탭(210) 및 양극 탭(220)이 파우치형 전지케이스(100)의 가장자리에 형성된 실링부(110)에 걸쳐져 외측으로 노출되도록 밀봉된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차전지(1)의 조립은 먼저, 전극조립체(200)를 파우치형 전지케이스(100)에 넣는다.
그 다음, 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 모서리를 갖는 파우치형 전지케이스(100)에서 1개의 모서리를 제외한 나머지 3개의 모서리를 밀봉하고, 개봉된 상태인 1개의 모서리에 형성되는 전해액 주입구(130)를 통해 전해액을 주입시킨다.
전해액이 주입된 다음, 파우치형 전지케이스(100)는 가실링 되고, 전지의 활성화를 위한 초기화 충방전 사이클이 실시된다.
초기화 충방전 사이클이 실시되는 과정에서 발생되는 가스는 가실링된 전해액 주입구(130)가 개봉됨으로써 디개싱, 즉 외부로 배출된다.
그 다음, 파우치형 이차전지(1)는 파우치형 전지케이스(100)의 개봉된 영역을 밀봉하는 리실링 단계를 거치게 되는데, 디개싱 과정을 위한 파우치형 전지케이스(100)의 개봉 후, 리실링 시, 진공 흡입으로 유발되는 압력 차에 의해 기상 또는 액상 전해액의 확산이 일어날 수 있으며, 이러한 과정에서 전해액이 파우치형 전치케이스의 실링부(110)에 묻어 외부와의 전류 통로가 생길 수 있다.
이 때, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법은 실링부(110)에 묻어있는 전해액을 제거하기 위해, 주입구(130)의 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계를 포함한다.
초음파 진동을 가해주는 단계에서는 주입구(130)의 양측 외주면에 수평 또는 수직방향으로 초음파 진동을 가해주게 되는데, 주입구(130)에 묻어있는 전해액을 파우치형 전지케이스(100) 내부로 떨어뜨리기 위해 수직방향으로 초음파 진동을 가해줄 수도 있고, 전해액을 주입구(130)에서 이탈되도록 하기 위해 수평방향으로 초음파 진동을 가해줄 수도 있다.
또한, 초음파 진동은 수평 또는 수직방향의 진동을 교대로 가해주어 전해액이 주입구(130)에서 신속하게 제거되도록 할 수도 있다.
초음파 진동을 가해주는 단계에서는 주입구(130)의 하단부, 즉 파우치형 전지케이스(100)의 내부공간에 인접한 영역에 형성되는 리실링부(120)에 초음파 진동을 가해줌으로써, 리실링부(120)에 전해액이 남아있지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 초음파 진동을 가해주는 단계에서는 초음파 가진 지점을 주입구(130)의 상측에서 하측방향으로 이동시켜 초음파 진동을 복수 회 가해줄 수도 있다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법은 주입구(130)의 상단부에서 초음파 진동을 가해줄 경우, 완전히 파우치형 전지케이스(100) 내부로 떨어지지 않고 중간에 묻어있는 전해액이 있을 수 있으므로, 상측에서 하측방향으로 가진지점을 이동시켜가며 순차적으로 초음파 진동을 가해줌으로써, 주입구(130) 내부에 묻어있는 전해액 제거율을 크게 향상시킬 수 있다.
이 때, 초음파 진동은 너무 낮은 주파수로 가진될 경우, 리실링부(120)에 묻어있는 전해액이 미립자로 분해되기 어려워 제거율이 낮아지며, 너무 높은 주파수로 가진될 경우, 전력소비가 지나치게 높아져 생산성이 저하될 수 있으므로 15~30khz의 진동으로 가해지는 것이 바람직하다.
마지막으로, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법은 초음파 진동을 가해주는 단계를 거친 다음, 파우치형 전지케이스(100)의 개봉된 영역을 리실링하여 파우치형 이차전지(1)를 완성하게 된다.
한편, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액을 주입하는 단계 이후에 상기 주입구(130) 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계가 더 수행될 수도 있다.
전해액은 파우치형 전지케이스(100)가 가실링 된 다음, 초기화 충방전과 디개싱과정을 거치면서 확산되거나 굳을 수도 있다.
따라서, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 주입과정에서 주입구(130)에 묻어있는 전해액을 미리 제거함으로써, 디개싱 과정에서 진공흡입에 의해 확산되는 전해액만 제거하면 되므로, 전해액 제거 과정이 더 간편해질 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 파우치형 이차전지의 디개싱 과정에서 전해액 주입구에 묻은 전해액을 초음파 가진을 이용하여 제거함으로써, 절연 저항 불량을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 절연 저항을 높임으로써, 파우치형 전지케이스의 부식을 막을 수 있어 수명을 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액 제거로 수분 침투 경로를 차단함으로써, 밀봉성 및 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 초음파 가진 지점을 주입구의 하단부 또는 상,하 방향으로 이동시켜 초음파 진동을 복수해 가해줌으로써, 주입구에 묻어있는 전해액의 제거율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 파우치형 이차전지
100 : 파우치형 전지케이스
110 : 실링부 120 : 리실링부
130 : 주입구
200 : 전극조립체
210 : 음극탭 220 : 양극탭
230 : 음극판 240 : 양극판

Claims (6)

  1. 전극조립체를 파우치형 전지케이스에 넣고, 상기 파우치형 전지케이스의 일부 영역이 개봉되어 형성되는 주입구를 통해 전해액을 주입하는 단계;
    상기 파우치형 전지케이스를 가실링한 후, 초기화 충방전을 실시하는 단계;
    상기 파우치형 전지케이스의 일부영역을 개봉하여 내부에 발생된 가스를 디개싱하는 단계;
    상기 주입구의 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계;
    상기 파우치형 전지케이스의 개봉된 영역을 리실링하는 단계; 를 포함하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 파우치형 이차전지의 실링방법은
    전해액을 주입하는 단계 이후에 상기 주입구 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  3. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는
    상기 주입구의 양측 외주면에 수평 또는 수직방향으로 초음파 진동을 가해주는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는
    상기 주입구의 하단부에 인접하여 초음파 진동을 가해주는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는
    15~30khz의 초음파 진동을 가해주는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는
    초음파 가진 지점을 상기 주입구의 상측에서 하측방향으로 이동시켜 초음파 진동을 복수 회 가해주는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
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