KR20140104538A - 이차전지용 전지케이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 시트형 모재의 변형으로 형성된 상기 수납부는 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 계단형 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스를 제공한다.

Description

이차전지용 전지케이스 {Battery Case for Secondary Battery}

본 발명은 신규한 구조의 이차전지용 전지케이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 시트형 모재의 변형으로 형성된 상기 수납부는 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 계단형 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스에 관한 것이다.

이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지의 사용은 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 이점으로 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 이차전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 이차전지(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.

이차전지(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 이차전지용 전지케이스(20)는, 수납부(23)에 대응하는 직육면체 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.

그러나, 최근에는 슬림한 타입 또는 다양한 디자인 트랜드로 인하여 새로운 형태의 전지셀이 요구되고 있는 반면, 종래와 같은 전지셀들은 동일한 크기 또는 용량의 전극조립체 및 이에 대응하는 전지케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있다. 따라서, 전지셀이 적용되는 디바이스의 디자인을 고려하여 신규한 구조로 만들기 위해서는, 전지셀의 용량을 줄이거나 더 큰 크기로 디바이스의 디자인을 변경해야 하는 문제점이 있다.

또한, 이러한 디자인 변경 과정에서 전기적 연결 방식이 복잡해짐으로 인해 소망하는 조건을 만족하는 전지셀의 제작이 어려워지는 문제점도 있다.

한편, 이차전지는 수납부에 전극조립체를 안착한 후 덮개를 덮어 밀봉하고 본체와의 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. 상기 수납부의 두께 방향은 수직 방향 또는 전극조립체의 전극이 수납부에 적층되어 있는 방향을 의미하고, 포밍 폭은 수납부의 두께 방향에 수직하는 방향으로 형성되는 폭을 의미한다.

즉, 상기의 직육면체 형상으로 모재를 가압할 경우, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 수납부의 코너에는 주름(A) 및 백화 현상(B)이 발생하고, 이에 따라 수분 침투가 발생할 수 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해소하면서 다양한 형상의 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, 고출력 또는 대용량의 특성을 발휘할 수 있도록 다양한 형상의 전극조립체에 대응하는 수납부를 포함하는 전지케이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 시트형 모재에서 수납부가 형성될 부위에 신규한 형상의 펀치를 사용한 가압에 의해 수납부를 형성함으로써, 수납부의 정밀도를 높이고, 안전성을 확보한 전지케이스를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지케이스는, 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 시트형 모재의 변형으로 형성된 상기 수납부는 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 계단형 구조를 이루고 있다.

종래의 전지케이스에서 전극조립체의 수납부는, 평면 형상에서 수납부의 중심축을 기준으로 수납부의 내주면이 대칭 구조를 이루고 있거나, 또는 평평한 측면 및 하단면에 기반하여 수직 단면 형상이 직선으로 이루어져 있다. 예를 들어, 원통형 및 코인형 전지케이스의 경우, 평면 형상이 대칭적인 원형이고, 수직 단면 형상이 측면과 하단면에서 직선으로 이루어져 있다. 또한, 얇은 육면체의 각형 및 파우치형 전지케이스의 경우, 평면 형상이 대칭적인 정사각형 또는 직사각형이고, 수직 단면 형상이 측면과 하단면에서 직선으로 이루어져 있다.

이에 반해, 본 발명의 전지케이스는, 종래의 전지케이스와는 달리, 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 계단형 구조를 이루고 있다.

따라서, 본 발명에서 “모서리 및/또는 면이 변형되어 있다”는 것은 평면 형상에서 수납부의 중심축을 기준으로 수납부의 내주면이 대칭 구조를 이루고 있지 않거나, 및/또는 측면 및 하단면 중의 적어도 하나의 수직 단면 형상이 직선으로 이루어져 있지 않음을 의미한다.

이러한 변형의 유형은 이후 설명하는 바와 같이 매우 다양할 수 있는 바, 상기 조건을 만족하는 변형들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

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 구체적으로는 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 우수한 내후성을 가진 수지로서, 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 구체적으로 0.3 mm 내지 6 mm의 범위 내에 있을 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 수납부의 측벽은 적어도 둘 이상의 단차들(steps)을 포함하는 계단 구조로 이루어져 있으며, 상기 단차들의 높이는 수납부의 깊이 방향으로 깊어질수록 작아지는 구조일 수 있다. 이러한 구조는, 상기 단차들의 높이가 수납부의 깊이 방향으로 갈수록 작아지므로, 수납부를 형성하는 과정에서 연신되어 일어나는 수납부의 두께 변화를 최소화 할 수 있다.

구체적으로, 상기 계단 구조가 n개의 단차들을 포함하고 있는 경우, 제 n 단차는 수납부의 깊이 방향에서 최하단에 위치하고 제 n 단차의 상부에 제 n-1 단차가 위치하며, 제 n 단차의 높이는 제 n-1 단차의 높이보다 작은 구조일 수 있다.

예를 들어, 상기 계단 구조가 3개의 단차들을 포함하고 있는 경우, 제 1 단차는 수납부의 깊이 방향에서 최하단에 형성되어 있고, 제 2 단차는 제 1 단차의 상부에 위치하며, 제 2 단차의 높이는 제 1 단차의 높이보다 작을 수 있다. 또한, 제 3 단차는 제 2 단차의 상부에 위치하며, 제 3 단차의 높이는 제 2 단차의 높이보다 작을 수 있다. 따라서, 제 1 단차, 제 2 단차 및 제 3 단차는 순차적으로 단차의 높이가 작아지는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 제 n 단차의 높이는 제 n-1 단차의 높이의 50 내지 90%일 수 있다. 즉, 제 2 단차의 높이는 제 1 단차의 높이의 50 내지 90%일 수 있고, 제 3 단차의 높이는 제 2 단차의 높이의 50 내지 90%일 수 있다.

본 발명에서 “각 단차들 간의 높이에 차이가 있다”는 것은, 각 단차를 형성하는 과정에서, 수납부를 형성하는 시트형 모재의 연신률이 각기 다른 것을 의미할 수 있다.

이로 인해, 제 n 단차 부위에서 수납부 측벽의 두께는 제 n-1 단차 부위에서 수납부 측벽의 두께의 90 내지 99%일 수 있다. 즉, 제 2 단차 부위에서 수납부 측벽의 두께는 제 1 단차 부위에서 수납부 측벽의 두께의 90 내지 99%일 수 있고, 제 3 단차 부위에서 수납부 측벽의 두께는 제 2 단차 부위에서 수납부 측벽의 두께의 90 내지 99%일 수 있다. 이는, 수납부가 다수의 단차를 포함하며 깊이 형성되더라도, 수납부 측벽의 두께가 비교적 일정하게 형성되므로, 전지케이스의 전체적인 내구성을 담보할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지케이스에 전극조립체를 내장하는 전지셀을 제조하는 방법을 제공한다.

상기 방법은,

(a) 시트형 모재를 홈이 형성되어 있는 다이 상에 위치시키는 단계;

(b) 상기 시트형 모재로부터 형성되는 수납부의 모서리에 주름 및 백화 현상이 없도록, 외면이 비대칭 구조로 이루어져 있는 펀치를 이용하여, 상기 시트형 모재를 상기 모재의 홈으로 가압하는 단계;

(c) 전극조립체를 상기 수납부에 장착하는 단계; 및

(d) 상기 수납부에 덮개를 덮어 밀봉하는 단계;

를 포함하고,

상기 다이의 홈은, 시트형 모재가 펀치 및 다이의 홈과 접촉할 때 시트형 모재가 펀치의 외면 형상과 일치할 수 있도록, 펀치의 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있을 수 있다.

상기 펀치의 형상은 입체 형상으로서 매우 다양할 수 있는 바, 하나의 구체적인 예에서, 가압 방향에서 하단 수평면이 계단형 구조를 이루고 있는 형상일 수 있다.

이 때, 상기 계단형 구조는 펀치의 하단 수평면 상의 중앙, 또는 일측변, 또는 일측 모서리를 기준으로 형성되어 있을 수 있다. 그러나, 기타 구조도 가능할 수 있음은 물론이며, 예를 들어, 펀치의 하단 수평면 상의 중앙으로부터 약간 편향된 상태로 형성될 수도 있다.

상기 전지케이스는 상기 계단형 구조의 펀치에 의해 가압되어, 그것의 수납부가 상기 펀치에 대응하는 형상의 계단형 구조로 성형될 수 있다.

경우에 따라서는, 단계(b)와 단계(c) 사이에, 상기 시트형 모재를 다이의 홈에 밀착시킬 수 있도록, 다이와 시트형 모재 사이의 공간을 진공 상태로 만드는 단계가 추가될 수 있다.

이를 위해, 다이와 시트형 모재 사이의 공간으로부터 공기를 제거할 수 있도록, 다이의 홈의 일측에는 개구가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 구조를 바탕으로, 단계(b)에서 시트형 모재는 펀치에 의해 가압되고, 추가로 다이와 시트형 모재 사이는 진공상태로 만들어짐으로써, 시트형 모재는 다이의 홈으로 당겨지게 된다. 따라서, 시트형 모재는 다이의 홈의 형상에 보다 정밀하게 일치할 수 있다. 이러한 방법에서, 펀치와 다이 각각으로부터 시트형 모재에 힘이 작용될 수 있으므로, 수납부가 보다 정밀하게 펀치와 다이의 외곽선 형상에 일치하게끔 하는 것은 물론, 가압 공정 동안 시트형 모재에 보다 균일한 힘이 분배 되기 때문에 결과적으로 주름과 백화 현상이 없는 수납부와 전지케이스를 만들 수 있다.

진공 상태는 각각의 다른 펀치들을 사용하여 가압하는 공정 어느 단계에서도 적용될 수 있다. 특히, 전체 공정에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 특정한 펀치를 사용하는 하나의 공정에만 적용될 수도 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 다이에는 상단, 중단, 및 하단으로 이루어져 있는 계단형 구조의 만입부가 형성되어 있고, 상기 펀치는 상기 다이의 상단의 형상에 대응하는 제 1 펀치, 상기 다이의 중단의 형상에 대응하는 제 2 펀치, 및 상기 다이의 하단의 형상에 대응하는 제 3 펀치로 이루어져 있을 수 있다.

구체적으로, 상기 제 2 펀치는 상기 다이의 상단 및 중단의 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 상기 제 3 펀치는 다이의 상단, 중단, 및 하단의 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있을 수 있다.

상기 다이에 시트형 모재를 위치시키고, (i) 상기 다이의 상단의 형상이 전사될 수 있도록 제 1 펀치로 시트형 모재를 가압하는 단계; (ii) 상기 다이의 상단 및 중단의 형상이 전사될 수 있도록 제 2 펀치로 시트형 모재를 가압하는 단계; 및 (iii) 상기 다이의 상단, 중단, 및 하단의 형상이 전사될 수 있도록 제 3 펀치로 시트형 모재를 가압하는 단계를 거쳐 계단형 구조의 전지케이스를 제조할 수 있다.

이러한 전지케이스 성형 방법은, 둘 이상의 단차를 포함하고 있는 계단형 구조로 전지케이스가 성형될 때, 각 단차의 모서리마다 응력이 집중되는 형상을 최대한 방지할 수 있는 효과가 있다. 즉, 계단형 구조의 전지케이스를 형성하기 위해서, 상기 수납부에 각각의 측벽을 형성할 때, 하나의 측벽을 형성한 후, 다시 하나의 측벽을 형성하므로 모재가 연신되면서 가해지는 응력을 최소화할 수 있다. 또한, 이러한 효과를 더욱 향상시킬 수 있도록, 상기 펀치의 계단형 구조를 이루는 모서리들을 둥근 형태로 형성함으로써, 응력 집중을 더욱 억제할 수도 있다

또한, 앞선 예와 마찬가지로, 단계(iii)를 거친 후, 상기 시트형 모재를 다이의 홈에 밀착시킬 수 있도록, 다이와 시트형 모재 사이의 공간을 진공 상태로 만드는 단계가 추가될 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 펀치는 각기 다른 폭과 높이를 갖는 둘 이상의 펀치들로 이루어져 있고, 상기 다이는 펀치들 각각에 대응하는 형상의 단차로 이루어져 있는 계단형 내면 구조를 가지며, 상기 수납부는 펀치와 다이에 의해 계단형 구조로 변형되면서 형성될 수 있다.

상기 수납부의 계단형 구조는, 둘 이상의 펀치들 중에서 폭이 가장 넓은 펀치에 의해 가압을 수행한 후, 상대적으로 폭이 작아지는 펀치들의 순으로 가압을 각각 수행하여 형성될 수 있고, 상대적으로 폭이 작아지는 펀치들의 순으로 가압할수록, 가압 깊이가 작아질 수 있다.

구체적으로, 상기 펀치가 n개로 이루어져 있을 때, 제 n 펀치에 의한 가압 깊이는 제 n-1 펀치에 의한 가압 깊이의 60 내지 90%일 수 있다.

이러한 제조 방법은, 상기 단차들의 높이가 수납부의 깊이 방향으로 갈수록 작아지므로, 수납부를 형성하는 과정에서 연신되어 일어나는 수납부의 두께 변화를 최소화할 수 있다. 따라서, 수납부의 측벽의 두께가 비교적 일정하게 형성되어 내구성이 담보되는 전지케이스를 제조할 수 있다.

본 발명은, 또한, 상기 전지케이스를 제조하는 전지케이스 제조 장치를 제공한다.

상기 전지케이스 제조 장치는,

전지케이스용 시트를 가압하는 펀치가 하면에 장착되어 있는 펀칭 다이, 및 드로잉 가공 과정에서 하기 고정 다이와의 사이에 전지케이스용 시트를 고정하는 스트리퍼를 포함하는 제 1 다이; 및

상기 펀치에 대응하는 블록이 상면에 장착되어 있는 블록 다이, 상기 스트리퍼와의 사이에 전지케이스용 시트를 고정하는 고정 다이, 및 상기 블록 다이가 가변적으로 장착되는 만입부가 형성되어 있는 장착 다이를 포함하는 제 2 다이;

로 이루어져 있다.

이러한 전지케이스 제조 장치는, 일련의 공정 과정에서 전지케이스용 시트의 전극조립체 수납부가 형성되는 부위를 상하 방향에서 밀착 작동하여 드로잉 가공이 수행되도록, 다양한 다이들의 특정한 조합에 의해 작동되므로, 전지케이스 제조 과정에서 전지케이스의 수납부 외측면의 시트가 수납부 내측으로 밀려들어감으로써 전지케이스의 외면에 발생되는 주름 등을 근본적으로 제거하여 제품의 불량을 미연에 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지케이스 및 그 제조 방법은, 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 계단형 구조를 이룸으로써, 다양한 형상의 전극조립체에 대응하는 수납부를 포함하는 전지케이스를 제공할 수 있고, 그에 따라, 디바이스 부피당 용량을 최대한 향상시킬 수 있다.

또한, 단차들의 높이가 수납부의 깊이 방향으로 갈수록 작아지므로, 수납부를 형성하는 과정에서 연신되어 일어나는 수납부의 두께 변화를 최소화하여, 전지케이스의 내구성을 담보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 리튬 이차전지의 분해도이다;
도 2 및 도 3은 도 1의 수납부의 부분 확대도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스를 제조하기 위한 펀치, 모재 및 다이의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스의 수직 단면도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스 제조공정 모식도이다;
도 7 및 도 8은 도 6의 부분 확대도이다;
도 9는 도 5의 전지케이스 제조공정 모식도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펀치가 장착된 전지케이스 제조장치의 수직 단면도이다.

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 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스를 제조하기 위한 펀치, 모재 및 다이의 모식도가 도시되어 있다.

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

구체적으로, 모재(200)에 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부(도시하지 않음)에 대응하는 형상의 펀치(100)를 사용하여 전지케이스를 제조하는 방법에서, 우선, 다이(300) 상에 시트형 모재(200)를 탑재한다. 다이(300)에는 펀치(100)의 형상에 대응하는 내면 형상이 각인되어 있는 홈(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 따라서, 펀치(100)를 사용하여 모재(200)를 가압함으로써 수납부(도시하지 않음)가 형성된다.

상기 수납부를 형성하기 위한 방법은, 하나의 펀치를 사용하고, 수납부를 형성하기 위해 펀치를 시트형 모재에 단 한번 가압하는 단계로 이루어진다. 신규한 구조의 펀치로 인해, 상기 수납부는 주름과 백화현상이 없이 형성될 수 있다.

펀치(100)는 가압 방향(화살표 방향)을 기준으로 하단 수평면에 일측 모서리를 기준으로 계단형 구조(110)가 형성되어 있다. 다른 실시예로서, 계단형 구조(110)는 펀치의 중앙, 측변, 또는 일측 모서리에 형성될 수도 있다.

또한, 전지케이스를 제조하는 방법에 있어서, 다이(300)에 진공을 적용하는 단계가 추가로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 시트형 모재(200)와 다이(300) 사이의 공간을 진공 상태로 만들 수 있다. 따라서, 다이(300)와 시트형 모재(200) 사이의 공간으로부터 공기를 제거할 수 있도록, 다이(300)의 홈의 일측에는 개구(도시하지 않음)가 형성되어 있을 수 있다. 상기한 방법으로 시트형 모재(200)는 펀치(100)에 의해 가압되고, 다이(300)와 시트형 모재(200) 사이는 진공상태로 만들어짐으로써, 시트형 모재(200)는 다이(300)의 홈으로 당겨지게 된다. 따라서, 시트형 모재는 다이(300)의 홈의 형상에 보다 정밀하게 일치할 수 있다. 이 같은 방법에서, 펀치와 다이 각각으로부터 시트형 모재에 힘이 작용될 수 있으므로, 수납부가 보다 정밀하게 펀치와 다이의 외곽선 형상에 일치하게끔 하는 것을 물론, 가압 공정 동안 시트형 모재 상에 보다 균일한 힘이 분배 되기 때문에 결과적으로 주름과 백화 현상이 없는 수납부와 전지케이스를 만들 수 있다.

도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스의 수직 단면도가 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 전지케이스(400)는 화살표 방향으로 만입되어 있는 구조의 수납부(410)를 포함하고, 수납부(410)는 제 1 단차(411), 제 2 단차(412) 및 제 3 단차(413)를 포함하는 계단 구조로 이루어져 있다. 각 단차들(411, 412, 413)의 높이(H1, H2, H3)는 화살표 방향으로 갈수록 작아진다. 제 2 단차(412)의 높이(H2)는 제 1 단차(411)의 높이(H1)의 50 내지 90%로 형성되어 있고, 제 3 단차(413)의 높이(H3)는 제 2 단차(412)의 높이(H2)의 50 내지 90%로 형성되어 있다.

또한, 제 2 단차(412)의 두께(T1)는 제 1 단차(411)의 두께(T1)의 90 내지 99%로 형성되어 있고, 제 3 단차(413)의 두께(T3)는 제 2 단차(412)의 두께(T2)의 90 내지 99%로 형성되어 있다. 이로 인해, 수납부(410)의 측벽의 두께가 비교적 일정하게 형성되므로, 전지케이스(400)의 전체적인 내구성을 담보할 수 있다.

도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스 제조공정 모식도가 도시되어 있고, 도 7 및 도 8에는 도 6의 부분 확대도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 3개의 단차가 형성된 전지케이스(542)를 제조하기 위해, 세 단계의 드로잉 공정들(510, 520, 530)이 수행된다. 구체적으로, 세 단계의 드로잉 공정들(510, 520, 530)의 각각의 공정에는 3개의 단차를 이루고 있는 각각의 단차에 대응되는 3개의 펀치들(511, 521, 531)이 고정 다이(501)에 사용된다. 보다 구체적으로, 고정 다이(501)는 상단, 중단, 및 하단을 갖는 계단구조의 형상으로 이루어져 있는 만입부를 갖는다. 3개의 펀치들(511, 521, 531) 중에서 폭이 가장 넓고 높이가 가장 낮은 제 1 펀치(511)가 가장 먼저 드로잉 공정(510)을 수행한다. 제 1 펀치(511)의 외면은 고정 다이(501)의 상단의 형상과 일치하는 형상으로 이루어져 있다. 그런 다음, 상대적으로 폭이 넓고 높이가 낮은 펀치들 순서(521→531)로 수행된다. 첫 번째 드로잉 공정(510) 후에 수행되는 각각의 펀치들(521, 531)은 형성하려 하는 단차뿐만 아니라, 이미 형성된 단차들과도 일치하는 형상으로 이루어져 있을 수 있다. 즉, 하나의 단차가 형성된 후 적용될 다음 펀치의 외면은 형성하려하는 단차와 일치하고, 추가로 이미 형성된 단차에도 그 형상이 일치한다. 이러한 방법에서, 단차를 형성하기 위해 이미 연신되거나 변형된 모재는 각각의 다음 공정들에 의해 그 형상이 재각인 될 수 있다. 제 2 펀치(521)의 외면은 고정다이(501)의 상단 형상뿐만 아니라 중단 형상과도 일치하는 형상으로 이루어져 있고, 제 3 펀치(531)의 외면은 고정다이(501)의 상단, 중단, 및 하단의 형상 모두에 일치하는 형상으로 이루어져 있다. 이와 같이, 각 단차별로 각기 따로 수행되는 드로잉 공정들(510, 520, 530)에 의해, 각 단차의 모서리마다 응력이 집중되는 형상을 최대한 억제할 수 있다.

도 6에 개시된 장치를 사용하는 방법은 다음과 같다.

우선, 시트(512)를 고정 다이(501) 상에 위치시킨다. 시트형 모재(512)는 고정 다이(501)와 제 1 펀치(511) 사이에서 가압되어, 계단 구조의 상단의 형상에 일치하도록 형성된다. 그로 인해, 시트형 모재(512)는 시트형 모재(522)로 형성된다. 시트형 모재(522)는 고정 다이(501)와 제 2 펀치(521) 사이에서 가압되어, 계단 구조의 상단 및 중단의 형상에 일치하도록 형성된다. 그로 인해, 시트형 모재(522)는 시트형 모재(532)로 형성된다. 시트형 모재(532)는 고정 다이(501)와 제 3 펀치(531) 사이에서 가압되어, 계단 구조의 상단, 중단, 및 하단의 형상에 일치하도록 형성된다. 그로 인해, 시트형 모재(532)는 시트형 모재(542)로 형성된다. 결과적으로, 시트형 모재(542)에 계단 구조의 수납부가 형성된다.

또한, 도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이, 펀치(511, 521, 531) 및 고정 다이(501)의 외형을 이루고 있는 모서리들 중에서 전지케이스용 시트(도시하지 않음)와 맞닿는 모서리들(502, 503, 504,505)은 둥근 형태(R)로 형성되어 있다.

추가적으로, 도 6에 개시된 장치를 사용하는 방법은 상기 도 4에 개시된 실시예와 연결하여 상술했던 고정 장치(501)에 진공 상태를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 진공 상태는 각각의 다른 펀치들을 사용하여 가압하는 공정 어느 단계에서도 적용될 수 있다. 특히, 전체 공정에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 특정한 펀치를 사용하는 하나의 공정에만 적용될 수도 있다.

도 9에는 도 5의 전지케이스 제조 공정 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 3개의 단차(710, 720, 730)가 형성된 전지케이스(642)를 제조하기 위해, 세 단계의 드로잉 공정들(610, 620, 630)이 수행된다. 세 단계의 드로잉 공정들(610, 620, 630)의 각각의 공정에는 3개의 단차(710, 720, 730) 각각에 대응되는 3개의 펀치들(611, 621, 631)이 사용된다. 구체적으로, 제 1 드로잉 공정(610)에서 시트형 모재(612)를 다이(601) 상에 위치시키고 고정시킨 후, 제 1 펀치(611)로 시트형 모재(612)을 가압하여 제 1 단차(710)가 형성된 전지케이스(622)를 형성한다. 제 2 공정(620)에서는, 제 1 펀치(611) 보다 폭이 좁고 높이가 큰 제 2 펀치(621)로 전지케이스(622)를 가압하여 제 2 단차(720)가 추가로 형성된 전지케이스(632)를 형성한다. 이 때, 제 2 펀치(621)에 의해 가압되는 깊이(D2)는 제 1 펀치(611)에 의해 가압되는 깊이(D1)의 60 내지 90%이다. 제 3 공정(630)에서는, 제 2 펀치(621)보다 폭이 좁고 높이가 큰 제 3 펀치(631)로 전지케이스(632)를 가압하여 제 3 단차(730)가 추가로 형성된 전지케이스(642)를 형성한다. 제 2 드로잉 공정(620)과 마찬가지로, 제 3 펀치(631)에 의해 가압되는 깊이(D3)는 제 2 펀치(621)에 의해 가압되는 깊이(D2)의 60 내지 90%이다.

이와 같이, 각 단차별로 각기 따로 수행되는 드로잉 공정들(610, 620, 630)에 의해, 각 단차(710, 720, 730)의 모서리마다 응력이 집중되는 형상을 최대한 억제할 수 있다.

추가적으로, 도 7 및 도 8에서 상술했던, 펀치 및 고정 다이의 외형을 이루고 있는 모서리들 중에서 전지케이스용 시트와 맞닿는 모서리들은 둥근 형태로 형성되어 있는 구조 또한 포함할 수 있다.

도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스 제조장치의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 10을 참조하면, 전지케이스 제조 장치(800)는, 블록(821)을 포함하는 가변 다이(830)가 장착된 제 2 다이(820), 및 전지케이스용 시트(도시하지 않음)를 가압하는 제 1 다이(810)를 포함하고 있다.

제 1 다이(810)는 펀칭 다이(813)를 포함하고 있다. 제 1 다이(810) 중에서 펀칭 다이(813)의 하측에는 전극조립체(도시하지 않음)의 수납부를 형성하기 위한 펀치(811)가 장착되고, 펀치(811)가 삽입 가능하도록 제 1 관통용 개구(812)가 형성된 스트리퍼(814)가 순차적으로 장착됨으로써, 스트리퍼(814)는 직접적으로 전지케이스용 시트(도시하지 않음)를 가압하게 된다.

제 2 다이(820)는, 가변 다이(830)가 장착되고 만입부(825)가 형성되어 있는 장착 다이(824), 및 가변 다이(830)의 블록(821)이 삽입 가능하도록 제 2 관통용 개구(822)가 형성된 고정 다이(823)를 포함하는 것으로 구성된다. 블록(821)은 펀치(811)의 형상에 대응하도록 형성되어 있다.

구체적으로, 제 2 다이(820)의 장착 다이(824)에는 대략 사각형 형상의 만입부(825)가 형성되어 있고, 만입부(825)에는 장착 다이(824)에 대한 가변 다이(830)의 가변 운동이 유도될 수 있도록 가변 다이(830)의 각각의 장착축(832)이 삽입되는 2개의 관통공(826)이 형성되어 있다. 따라서, 만입부(825) 및 관통공(826)에는 가변 다이(830)가 가변적으로 상하 왕복이 가능하도록 장착될 수 있으며, 전지케이스용 시트(도시하지 않음)는 제 2 다이(820)의 상부면에서 일 방향으로 공급된다.

한편, 가변 다이(830)가 제 2 다이(820)에서 가변적으로 상하 왕복이 용이하게 이루어지도록, 블록 다이(831)와 장착 다이(824) 사이에는 4개의 압축 스프링(833)이 개재되어 있다.

비록, 펀치와 다이의 모서리 부분이 사각형 형상으로 보여지지만, 도 10에 개시되어 있는 펀치와 다이들은 도 7 및 도 8에 기재되어 있는 바와 같이, 모서리가 라운드 형상으로 이루어져 있음은 물론이다.

이하에서는 전지케이스 제조 장치의 구동 과정을 상기 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 전지케이스 제조 장치(800)의 제 2 다이(820)의 상면으로 전지케이스용 시트(도시하지 않음)가 측면으로부터 공급된다. 이와 함께, 제 1 다이(810)가 제 2 다이(820)를 향하여 하향 이동하여 제 1 다이(810)의 스트리퍼(814)가 전지케이스용 시트를 밀착하여 고정한다. 펀칭 또는 시트의 형성 전에, 스트리퍼(814)는 제 1 다이(810)로부터 독립적으로 이동될 수 있다. 제 1 다이(810) 및 제 2 다이(820)가 서로를 향하여 이동할 때, 스티리퍼(814)는 고정 다이(823)와의 사이에 시트를 압박하여 고정할 수 있다. 그런 다음, 제 1 다이(810)의 계속적인 하향 이동에 의해 펀칭 다이(813)의 펀치(811)가 전지케이스용 시트를 가압하면서 고정 다이(824)의 제 2 관통용 개구(822) 내로 도입된다. 구체적으로, 블록(821)의 개구로 도입된다. 이 때, 펀치(811)의 물리적인 하향 도입에 의해 블록 다이(831)가 제 2 관통용 개구(822) 및 만입부(825)로부터 탄력적으로 장착 다이(824)를 향해 하향 이동하면서 전지케이스용 시트에 수납부가 드로잉 방식으로 형성된다. 그런 다음, 제 1 다이(810)가 상향 이동하면서 블록 다이(831)가 원 위치로 복원됨으로써, 수납부가 형성된 전지케이스용 시트가 제 2 다이(820)부터 추출된다.

추가적으로, 도 10에 개시된 장치를 사용하는 방법은 블록(821)에 도 4에 상술한 진공상태를 적용하는 단계가 포함될 수 있다.

한편, 전극조립체는 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어져 있고, 그것의 두 개의 전극단자에 용접되어 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 복수의 전극들은 판상형으로 이루어져 있을 수 있으며, 판상형 전극들은 전극조립체의 중심축을 따라 적층되어 있을 수 있다. 중심축에 대한 비대칭 구조는 전극조립체의 외주면을 이루는 적어도 일면에 형성되어 있을 수 있다. 전극조립체의 각각의 판상형 전극들의 표면적은 중심축에 수직인 수평면상의 표면적으로 정의될 수 있다. 판상형 전극들의 하나의 표면적은 다른 판상형 전극의 표면적보다 작을 수 있다. 전극 조립체는 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 (23)

1. 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 시트형 모재의 변형으로 형성된 상기 수납부는 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 계단형 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 모재는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스.
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.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 모재의 두께는 0.3 내지 6 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부의 측벽은 적어도 둘 이상의 단차들(steps)을 포함하는 계단 구조로 이루어져 있으며, 상기 단차들의 높이는 수납부의 깊이 방향으로 깊어질수록 작아지는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 계단 구조가 n개의 단차들을 포함하고 있을 때, 제 n 단차는 수납부의 깊이 방향에서 최하단에 위치하고 제 n 단차의 상부에 제 n-1 단차가 위치하며, 제 n 단차의 높이는 제 n-1 단차의 높이 보다 작은 것을 특징으로 하는 전지케이스.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 n 단차의 높이는 제 n-1 단차의 높이의 50 내지 90%인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 n 단차 부위에서 수납부 측벽의 두께는 제 n-1 단차 부위에서 수납부 측벽의 두께의 90 내지 99%인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 전지케이스에 전극조립체를 내장하는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
   (a) 시트형 모재를 홈이 형성되어 있는 다이 상에 위치시키는 단계;
   (b) 상기 시트형 모재로부터 형성되는 수납부의 모서리에 주름 및 백화 현상이 없도록, 외면이 비대칭 구조로 이루어져 있는 펀치를 이용하여, 상기 시트형 모재를 상기 모재의 홈으로 가압하는 단계;
   (c) 전극조립체를 상기 수납부에 장착하는 단계; 및
   (d) 상기 수납부에 덮개를 덮어 밀봉하는 단계;를 포함하고,
   상기 다이의 홈은, 시트형 모재가 펀치 및 다이의 홈과 접촉할 때 시트형 모재가 펀치의 외면 형상과 일치할 수 있도록, 펀치의 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 펀치의 하단 수평면 상의 형상은 계단형 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 계단형 구조는 펀치의 하단 수평면 상의 중앙, 일측변, 또는 일측 모서리에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 시트형 모재를 다이의 홈에 밀착시킬 수 있도록, 다이와 시트형 모재 사이의 공간을 진공 상태로 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 다이에는 상단, 중단, 및 하단으로 이루어져 있는 계단형 구조의 만입부가 형성되어 있고;
    상기 다이의 상단의 형상에 대응하는 제 1 펀치, 상기 다이의 중단의 형상에 대응하는 제 2 펀치, 및 상기 다이의 하단의 형상에 대응하는 제 3 펀치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 펀치는 상기 다이의 상단 및 중단의 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 상기 제 3 펀치는 다이의 상단, 중단, 및 하단의 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    (i) 상기 다이의 상단의 형상이 전사될 수 있도록 제 1 펀치로 시트형 모재를 가압하는 단계;
    (ii) 상기 다이의 상단 및 중단의 형상이 전사될 수 있도록 제 2 펀치로 시트형 모재를 가압하는 단계; 및
    (iii) 상기 다이의 상단, 중단, 및 하단의 형상이 전사될 수 있도록 제 3 펀치로 시트형 모재를 가압하는 단계;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 시트형 모재를 다이의 홈에 밀착시킬 수 있도록, 다이와 시트형 모재 사이의 공간을 진공 상태로 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
17. 제 9 항에 있어서, 상기 펀치의 외면과 다이의 내면을 이루고 있는 모서리들은 둥근 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
18. 제 9 항에 있어서, 상기 펀치는 각기 다른 폭과 높이를 갖는 둘 이상의 펀치들로 이루어져 있고, 상기 다이는 펀치들 각각에 대응하는 형상의 단차로 이루어져 있는 계단형 내면 구조를 가지며, 상기 수납부는 펀치와 다이에 의해 계단형 구조로 변형되면서 형성되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 수납부의 계단형 구조는, 둘 이상의 펀치들 중에서 폭이 가장 넓은 펀치에 의해 가압을 수행한 후, 상대적으로 폭이 작아지는 펀치들의 순으로 가압을 각각 수행하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 상대적으로 폭이 작아지는 펀치들의 순으로 가압할수록, 가압 깊이가 작아지는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 펀치가 n 개로 이루어져 있을 때, 제 n 펀치에 의한 가압 깊이는 제 n-1 펀치에 의한 가압 깊이의 60 내지 90%인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 펀치의 외면과 다이의 내면을 이루고 있는 모서리들은 둥근 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
23. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 전지케이스를 제조하는 장치로서,
    전지케이스용 시트를 가압하는 펀치가 하면에 장착되어 있는 펀칭 다이, 및 드로잉 가공 과정에서 하기 고정 다이와의 사이에 전지케이스용 시트를 고정하는 스트리퍼를 포함하는 제 1 다이; 및
    상기 펀치에 대응하는 블록이 상면에 장착되어 있는 블록 다이, 상기 스트리퍼와의 사이에 전지케이스용 시트를 고정하는 고정 다이, 및 상기 블록 다이가 가변적으로 장착되는 만입부가 형성되어 있는 장착 다이를 포함하는 제 2 다이;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 장치.

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