KR20150049598A - 이차전지 및 이를 포함하는 전해액 주입 시스템 - Google Patents

이차전지 및 이를 포함하는 전해액 주입 시스템 Download PDF

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KR20150049598A
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이준희
정경환
이의경
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 및 상기 캔 내부의 공기를 흡입하기 위한 공기 흡입 장치가 삽입되는 공기 흡입구 및 캔 내부로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입장치가 삽입되는 전해액 주입구를 구비하며, 상기 캔의 상단 개구부를 커버하는 탑 캡을 포함한다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 제조공정에 있어서, 캔 내부에 전해액을 주입하는 공정에 소요되는 시간이 단축될 수 있으며, 이로써 이차전지에 대한 생산성이 향상될 수 있다.

Description

이차전지 및 이를 포함하는 전해액 주입 시스템{Secondary battery and Electrolyte injection system comprising the same}
본 발명은 이차전지 및 이를 포함하는 전해액 주입 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 탑 캡(top cap) 상에 전해액 주입구 및 진공 형성을 위한 공기 흡입구를 구비하는 이차전지 및 이를 포함하는 전해액 주입 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
한편, 리튬 이차전지의 제조 공정에 있어서, 전해액 주입 공정은 타 공정에 비해 상대적으로 많은 시간이 요구된다. 즉, 전해액 주입구는 캔을 마감하는 탑 캡의 상면에 매우 작은 크기로 한 개가 형성되는 것이 일반적인데, 이러한 작은 크기의 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입함에 있어서, 캔 내부에 존재하는 기체의 압력으로 인해 전해액의 주입이 용이하게 이루어지기 어려운 면이 있다.
이와 같이, 전해액 주입 공정에 소요되는 시간이 길어짐에 따라, 리튬 이차전지 제조를 위한 전체 공정에 소요되는 시간이 길어질 수 밖에 없고, 이로 인해 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 생산성 향상을 위해, 기존의 리튬 이차전지의 구조를 크게 변경시키지 않으면서도 전해액 주입에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 방안의 마련이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 캔 내부에 전해액을 주입하는데 소요되는 시간을 단축시키고, 이로써 이차전지의 생산성을 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 및 캔 내부의 공기를 흡입하기 위한 공기 흡입 장치가 삽입되는 공기 흡입구 및 캔 내부로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입장치가 삽입되는 전해액 주입구를 구비하며, 상기 캔의 상단 개구부를 커버하는 탑 캡을 포함한다.
상기 이차전지는, 상기 탑 캡을 관통하며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함할 수 있다.
상기 이차전지는, 상기 전극 단자와 상기 탑 캡 사이에 개재되는 절연 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 이차전지는, 상기 공기 흡입구와 전해액 주입구에 삽입되는 한 쌍의 홀 마개를 구비할 수 있다.
상기 한 쌍의 홀 마개는, 금속으로 이루어지며, 각각 상기 공기 흡입구 및 전해액 주입구에 대응되는 크기의 볼 형상을 가질 수 있다.
상기 한 쌍의 홀 마개 중 적어도 어느 하나는, 상기 탑 캡과 비교하여 더 얇은 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제는 상기 이차전지를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 시스템을 통해서도 해결될 수 있는데, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 시스템은, 상기 이차전지; 상기 공기 흡입구에 삽입되어 상기 캔 내부의 공기를 흡입하는 공기 흡입 장치; 및 상기 전해액 주입구에 삽입되어 상기 캔 내부로 전해액을 주입하는 전해액 주입장치를 포함한다.
또한, 상기 기술적 과제는 상기 전해액 주입 시스템을 이용한 전해액 주입방법에 의해서도 달성될 수 있는데, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입방법은, (a) 상기 이차전지를 마련하는 단계; (b) 상기 캔 내부의 공기를 흡입하는 단계; 및 (c) 상기 캔 내부에 전해액을 주입하는 단계를 포함한다.
상기 (b)단계 및 (c)단계는 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 제조공정에 있어서, 캔 내부에 전해액을 주입하는 공정에 소요되는 시간이 단축될 수 있으며, 이로써 이차전지에 대한 생산성이 향상될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 탑 캡을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 탑 캡에 공기 흡입 장치 및 전해액 주입 장치가 삽입된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 탑 캡에 홀 마개가 삽입된 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 홀 마개의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 탑 캡을 나타내는 단면도이다. 또한, 도 3은 도 2에 도시된 탑 캡에 공기 흡입 장치 및 전해액 주입 장치가 삽입된 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 탑 캡에 홀 마개가 삽입된 상태를 나타내는 도면이며, 도 5는 도 4에 도시된 홀 마개의 변형예를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체(10), 전극 조립체(10) 및 전해액을 수용하는 캔(20), 및 캔(20)의 상단 개구부(20a)를 커버하는 탑 캡 조립체(30)를 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체(10)는 제1 전극판(11), 제2 전극판(12), 그리고 전극판(11,12) 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)를 포함하며, 이러한 전극판(11,12) 및 세퍼레이터(13)가 함께 권취됨으로써 형성된다.
상기 제1 전극판(11)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 제1 전극 집전체 및 이러한 제1 전극 집전체의 양 면에 코팅된 제1 전극 활물질 층을 포함한다.
또한, 상기 제1 전극 집전체의 양 말단에는 제1 전극 활물질 층이 형성되지 않은 제1 전극 무지부가 있으며, 제1 전극 무지부의 일측 단부에는 제1 전극 탭(14)이 연결된다. 여기서, 상기 제1 전극판(11)은 양극으로서 작용하는 양극판일 수 있다.
상기 제2 전극판(12)은 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu) 호일로 이루어진 제2 전극 집전체 및 이러한 제2 전극 집전체의 양 면에 코팅된 제2 전극 활물질 층을 포함한다.
또한, 상기 제2 전극 집전체의 양 말단에는 제2 전극 활물질 층이 형성되지 않은 제2 전극 무지부가 있으며, 제2 전극 무지부의 일측 단부에는 제2 전극 탭(15)이 연결된다. 여기서, 상기 제2 전극판(12)은 음극으로서 작용하는 음극판일 수 있다.
상기 세퍼레이터(13)는 제1 전극판(11)과 제2 전극판(12)의 쇼트(short)를 방지하는 것으로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)를 포함하는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 세퍼레이터(13)는 제 1 전극판(11) 및 제 2 전극판(12)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 제 1 전극판(11) 및 제 2 전극판(12) 간의 전기적인 단락을 방지하는데 유리하다.
상기 캔(20)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 캔(20)은 상단 개구부(20a)를 통해 전극 조립체(10)를 수용한다.
한편, 상기 캔(20)은 전극 조립체(10)에 구비된 한 쌍의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 직접 또는 간접적으로 연결되어 그 자체로서 양극 또는 음극 단자의 역할을 수행할 수 있다.
상기 탑 캡 조립체(30)는 탑 캡(31), 전극 단자(32), 절연 가스켓(33), 베이스 플레이트(34) 및 절연 플레이트(35)를 포함할 수 있다.
상기 탑 캡(31)은 캔(20) 내부의 공기를 흡입하기 위한 공기 흡입 장치(A, 도 3 참조)가 삽입되는 공기 흡입구(H1) 및 캔(20) 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입장치(B, 도 3 참조)가 삽입되는 전해액 주입구(H2)를 구비하며, 상기 캔(20)의 상단 개구부(20a)를 커버한다.
상기 탑 캡(31)은 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 이 경우 한 쌍의 전극 탭(14,15)중 어느 하나와 직접 또는 간접적으로 연결됨으로써 캔(20)과 동일한 극성을 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 이차전지에 대한 전해액 주입 공정이 끝나고 나면, 공기 흡입구(H1) 및 전해액 주입구(H2)에는 한 쌍의 홀 마개(36)가 삽입된다.
이러한 한 쌍의 홀 마개(36)는 금속으로 이루어지는 것으로서, 각각 공기 흡입구(H1) 및 전해액 주입구(H2)에 대응되는 크기의 볼 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 홀 마개(36)는 공기 흡입구(H1) 및 전해액 주입구(H2) 내에 압입되어 이차전지를 완전히 밀폐시킨다.
한편, 도 5를 참조하면, 상기 홀 마개(36) 중 적어도 어느 하나는 탑 캡(31)의 두께(d1)보다 더 얇은 두께(d2)를 갖도록 형성될 수 있다.
이 경우, 이러한 얇은 두께의 홀 마개(36)가 적용된 공기 흡입구(H1) 및/또는 전해액 주입구(H2)는 이차전지의 내부 압력의 상승 시에 또는 외부 충격에 의한 탑 캡의 형태 변형 시에 파단됨으로써 내부 가스가 분출될 수 있는 안전벤트(safety vent)로서의 역할을 수행할 수 있게된다.
상기 전극 단자(32)는 탑 캡(31)을 관통하며, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 전극 단자(32)는 한 쌍의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 직접 또는 간접적으로 연결됨으로서 캔(20) 및 탑 캡(31)과는 반대의 극성을 가질 수 있다.
상기 절연 가스켓(33)은 탑 캡(31)과 전극 단자(32) 사이에 개재되어 서로 다른 극성을 갖는 탑 캡(31)과 전극 단자(32) 사이에 단락이 발생되지 않도록 한다.
상기 베이스 플레이트(34)는 탑 캡(31)과 전극 조립체(10) 사이에서 전극 단자(32)와 연결되며, 한 쌍의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 직접 연결될 수 있다. 즉, 상기 전극 단자(32)는 이러한 베이스 플레이트(34)를 통해 전극 조립체(10)의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 것이다.
또한, 상기 절연 플레이트(35)는 탑 캡(31)과 베이스 플레이트(34) 사이에 개재되어 베이스 플레이트(34)와 탑 캡(31) 사이의 단락을 방지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 공기 흡입구(H1)에 삽입되어 캔(20) 내부의 공기를 흡입하는 공기 흡입 장치(A) 및 전해액 주입구(H2)에 삽입되어 캔(20) 내부에 전해액을 주입하는 전해액 주입 장치(B)와 결합하여 하나의 전해액 주입 시스템을 구현함으로써 전해액 주입 공정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
즉, 상기 공기 흡입 장치(A)를 이용하여 캔(20) 내부의 공기를 흡입하여 캔(20) 내부의 압력을 낮추거나 진공 상태를 만들어 놓은 후, 전해액 주입 장치(B)를 이용하여 전해액을 주입함으로써, 원활한 전해액 주입이 가능하게 되는 것이다.
다음은, 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 시스템을 이용한 전해액 주입 방법을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 방법은, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 시스템을 이용하여 이차전지 내에 전해액을 주입하는 방법에 관한 것으로서, 이차전지를 마련하는 단계(a단계), 공기 흡입 단계(b단계) 및 전해액 주입 단계(c단계)를 포함한다.
상기 a단계는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지, 즉 공기 흡입구(H1) 및 전해액 주입구(H2)를 구비하는 이차전지를 마련하는 단계이다.
상기 b단계는, 이차전지의 공기 흡입구(H1)에 공기 흡입 장치(A)를 삽입하여 캔(20) 내부의 공기를 흡입함으로써 캔(20) 내부의 압력을 낮추거나 완전히 진공상태로 만드는 단계이다.
상기 c단계는, 이차전지의 전해액 주입구(H2)에 전해액 주입 장치(B)를 삽입하여 압력이 줄어들거나 진공상태가 된 캔(20) 내부에 전해액을 주입하는 단계이다.
여기서, 상기 b단계와 c단계는 순차적으로 진행될 수도 있고, 동시에 진행될 수도 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 포함하는 전해액 주입 시스템을 이용하여 캔(20) 내부의 압력을 낮추어 준 후, 전해액을 주입함으로써 전해액이 원활하게 주입될 수 있으며, 이로써 이차전지의 제조공정에 소요되는 시간이 단축됨으로써 생산성이 향상될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 전극 조립체 11: 제1 전극판
12: 제2 전극판 13: 세퍼레이터
14: 제1 전극 탭 15: 제2 전극 탭
20: 캔 20a: 캔의 상단 개구부
30: 탑 캡 조립체 31: 탑 캡
32: 전극 단자 33: 절연 가스켓
34: 베이스 플레이트 35: 절연 플레이트
36: 홀 마개 H1: 공기 흡입구
H2: 전해액 주입구

Claims (9)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 및
    상기 캔 내부의 공기를 흡입하기 위한 공기 흡입 장치가 삽입되는 공기 흡입구 및 캔 내부로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입장치가 삽입되는 전해액 주입구를 구비하며, 상기 캔의 상단 개구부를 커버하는 탑 캡을 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탑 캡을 관통하며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극 단자와 상기 탑 캡 사이에 개재되는 절연 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공기 흡입구와 전해액 주입구에 삽입되는 한 쌍의 홀 마개를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 한 쌍의 홀 마개는,
    금속으로 이루어지며, 각각 상기 공기 흡입구 및 전해액 주입구에 대응되는 크기의 볼 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 한 쌍의 홀 마개 중 적어도 어느 하나는,
    상기 탑 캡과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 이차전지;
    상기 공기 흡입구에 삽입되어 상기 캔 내부의 공기를 흡입하는 공기 흡입 장치; 및
    상기 전해액 주입구에 삽입되어 상기 캔 내부로 전해액을 주입하는 전해액 주입장치를 포함하는 전해액 주입 시스템.
  8. (a) 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 마련하는 단계;
    (b) 상기 캔 내부의 공기를 흡입하는 단계; 및
    (c) 상기 캔 내부에 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 전해액 주입 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (b)단계 및 (c)단계는 동시에 또는 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전해액 주입 방법.
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