KR20160102837A - 리튬이온폴리머전지의 가스 제거 방법 및 장치 - Google Patents

리튬이온폴리머전지의 가스 제거 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파우치의 내부 압력을 모니터링 하고 이에 따라 파우치에 가해지는 진공압을 조절함으로써 가스 및 전해액을 효과적으로 제거할 수 있는 이차 전지의 가스 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 이차 전지의 가스 제거 방법은, 파우치의 내부 압력을 측정하는 단계와, 파우치에 진공압을 인가하여 가스 및 전해액을 흡인하는 단계를 포함하며, 파우치에 인가되는 진공압은 파우치의 내부 압력에 따라 조절된다.
본 발명에 의한 이차 전지의 가스 제거 장치는, 진공압을 발생하는 진공펌프와, 상기 진공펌프에서 발생한 진공압을 일정하게 유지하는 버퍼탱크와, 상기 버퍼탱크에서 인가되는 진공압을 조절하는 스로틀밸브와, 상기 스로틀밸브를 통해 인가된 진공압을 이용하여 파우치의 가스 및 전해액을 흡인하는 진공패드와, 상기 스로틀밸브와 상기 진공패드 사이에 설치되어 파우치의 내부 압력을 측정하는 진공게이지를 포함하며, 상기 스로틀밸브는 상기 파우칭의 내부 압력에 따라 제어된다.

Description

이차 전지의 가스 제거 방법 및 장치{DEGASSING METHOD AND APPARATUS OF SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지의 가스 제거 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 파우치의 내부 압력을 모니터링 하고 이에 따라 파우치에 가해지는 진공압을 조절함으로써 가스 및 전해액을 효과적으로 제거할 수 있는 이차 전지의 가스 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 캠코더, 휴대폰, 노트북 등 휴대용 전자제품의 소형화, 경량화 및 고기능화에 따라 장시간 사용이 가능하며, 가볍고, 신뢰성 높은 고성능의 소형 전지들의 요청이 강조되고 있는데, 이러한 요구에 상응하여 많은 관심과 각광을 받고 있는 것이 바로 리튬이차전지이다.
리튬이차전지는 전해질의 종류에 따라 리튬금속전지, 리튬이온전지 및 리튬 폴리머전지로 나눌 수 있으며, 전극 조립체를 밀봉하는 외장재의 종류에 따라 각형전지, 원통형전지, 파우치형전지로 나뉜다. 파우치 전지는 리튬폴리머 이차전지에서 많이 사용되고 있으며, 그 제조방법은 다음과 같다.
우선, 양극 및 음극 활물질이 집전체의 양면에 도포된 극판을 만들고, 이를 세퍼레이터를 개재하고 적층하여 바이셀 라미네이션 공정을 통하여 전극 조립체를 만든다. 이 전극 조립체에서 가소제를 추출하고, 상기 전극 조립체의 리드들에 탭을 용접하여 파우치에 내장한다. 전극 조립체를 수납한 후에는 파우치의 전극 수납부 내로 전해액을 주입하여 전극 조립체에 전해액이 함침되도록 한다.
전해액 주입 공정이 완료되면 파우치의 가장자리를 1차로 접합(sealing)시킨다. 전지를 안정화시키기 위한 에이징(aging) 공정을 거친 후, 충전심도 10% 이하로 초기 충전(pre-charging)을 실시한다. 초기 충전은 전지의 과충전 등으로 인해 파우치의 내부에 가스가 발생하여 케이스가 파열되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이때, 파우치의 내부에서 생성된 가스는 디가싱(degassing) 공정을 통해 외부로 배출된다.
디가싱 과정을 살펴보면, 나이프 등을 이용하여 파우치에 배출구를 형성하고, 진공 라인과 연결된 진공 패드를 배출구에 부착시켜 진공압을 이용하여 가스를 제거한다. 이때, 파우치에 과주입된 전해액은 가스와 함께 흡인(suction)되어 외부로 배출된다.
그런데 종래의 디가싱 방법은 가스 흡인 초기에 순간적으로 가해지는 진공압으로 인하여 파우치의 배출구 부분이 전극 조립체에 밀착되는 문제가 있었다. 이처럼 파우치의 배출구 부분이 전극 조립체에 밀착되면 파우치의 내부에 존재하는 가스를 완벽하게 제거할 수 없다. 특히, 최근 생산되는 파우치의 경우 두께가 얇은 박판의 형태를 가지므로 종래의 디가싱 방법으로 가스를 완벽하게 제거할 수 없다.
전술한 바와 같이, 디가싱 과정에서 과주입된 전해액도 함께 흡입되는데, 진공압이 순간적으로 가해질 경우 파우징 내부에 유로가 형성되고 파우치의 표면에 플로우 마크(flow mark)가 형성된다. 또한, 파우치의 크기가 동일하더라도 초기에 가해지는 진공압이 달라지면 흡입되는 가스의 양이 달라져 불량의 원인이 된다.
대한민국공개특허공보 제2014-0013133호(2014.02.05.)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 파우치의 내부 압력을 모니터링 하고 이에 따라 파우치에 가해지는 진공압을 조절함으로써 가스 및 전해액을 효과적으로 제거할 수 있는 이차 전지의 가스 제거 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 파우치형 이차 전지의 가스 제거 방법은, 파우치의 내부 압력을 측정하는 단계와, 파우치에 진공압을 인가하여 가스 및 전해액을 흡인하는 단계를 포함한다. 이때, 파우치에 인가되는 진공압은 파우치의 내부 압력에 따라 조절된다.
한편, 본 발명에 의한 파우치형 이차 전지의 가스 제거 장치는, 진공압을 발생하는 진공펌프와, 상기 진공펌프에서 발생한 진공압을 일정하게 유지하는 버퍼탱크와, 상기 버퍼탱크에서 인가되는 진공압을 조절하여 공급하는 스로틀밸브와, 상기 스로틀밸브를 통해 인가된 진공압을 이용하여 파우치의 가스 및 전해액을 흡인하는 진공패드와, 상기 스로틀밸브와 상기 진공패드 사이에 설치되어 파우치의 내부 압력을 측정하는 진공게이지를 포함한다. 이때, 상기 스로틀밸브는 상기 파우칭의 내부 압력에 따라 제어된다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 파우치 전지의 디가싱 공정 초기에 파우치의 내부 압력을 측정하고 측정된 값에 따라 진공압을 조절하여 흡인함으로써 파우치 내의 가스 및 전해액을 효과적으로 제거할 수 있으며, 디가싱 과정에서 발생하는 플로우 마크의 제어 또한 가능하다. 따라서 디가싱 불량에 따른 전지의 용량 저하 및 수명 단축 문제를 해결할 수 있으며, 전지의 품질을 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제품 수율도 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 가스 제거 방법을 도시한 순서도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 가스 제거 과정을 순서대로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 가스 제거 장치의 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 가스 제거 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 가스 제거 장치를 이용한 가스 제거 방법의 순서도.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 그리고 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 가스 제거 방법은, 전극 조립체(20)가 수납되고 전해액이 주입된 파우치형 이차 전지(1)의 내부에서 발생하는 가스를 제거하기 위한 방법이다. 좀 더 상세하게는, 이차 전지(1)의 초기 충전 과정에서 파우치(10)의 내부에서 발생하는 가스 및 과주입된 전해액을 제거하기 위한 디가싱(degassing) 방법이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이차 전지의 가스 제거 방법은, 파우치(10)의 내부 압력을 측정하는 단계(S10)와, 파우치(10)의 내부 압력과 설정 압력을 대비하는 단계(S20)와, 파우치(10)에 진공압을 인가하여 가스 및 전해액을 흡인하는 단계(S30)를 포함한다. 이때, 파우치(10)에 인가되는 진공압은 이전 단계에서 대비된 파우치(10)의 내부 압력에 따라 조절된다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 이차 전지(1)의 가스 제거 방법을 좀 더 상세히 살펴보도록 한다.
우선, 이차 전지(1)의 파우치(10)에 대해 살펴보면, 전극 조립체(20)가 수납되는 제1수용부(12)와, 제1수용부(12)에서 발생한 가스가 포집되는 제2수용부(14)를 포함한다. 제1수용부(12)와 제2수용부(14)는 통로(16)를 통해 서로 연결되어, 제1수용부(12)에서 발생한 가스가 제2수용부(14)로 이송될 수 있도록 한다. 또한, 후술할 배출구(18)를 통해 가스를 흡입하는 과정에서 제1수용부(12)에 과주입된 전해액이 가스와 함께 흡인될 수 있도록 한다.
이차 전지(1)의 디가싱을 위해서는 파우치(10)에 배출구(18)를 형성하는 타공 작업이 선행되어야 한다. 타공 작업은 다양한 방법으로 실시될 수 있는데, 그 대표적인 예가 나이프 등의 공구를 사용하여 파우치(10), 좀 더 상세하게는 제2수용부(14)의 표면을 절개하는 방법이다(도 2 참조).
전술한 타공 작업이 완료되면, 도 3에 도시된 것처럼 압력 측정 및 진공압 인가를 위한 호스 등의 관로(30)를 배출구(18)에 연결한 후 배출구(18)를 통해 파우치(10)의 내부 압력을 측정한다. 파우치(10)의 내부 압력을 측정하는 이유는, 파우치(10)의 내부 압력에 따라 파우치(10)로 인가되는 진공압을 조절하기 위함이며, 이를 통해 가스 흡인 초기에 인가되는 진공압에 의해 파우치(10)의 내부 압력이 급격하게 변동하는 것을 방지하기 위함이다. 이때, 파우치(10)의 내부 압력을 측정하는 과정은 가스 제거가 완료될 때까지 실시간으로 반복하여 진행된다.
관로(30)를 통해 측정된 파우치(10)의 내부 압력은 설정 압력과 대비된다. 예를 들어, 파우치(10)의 내부 압력이 설정 압력보다 높으면 파우치(10)로 인가되는 진공압을 낮게 제어하고, 설정 압력보다 낮으면 파우치(10)로 인가되는 진공압을 높게 제어한다. 이와 같이, 파우치(10)의 내부 압력에 따라 파우치(10)로 인가되는 진공압을 조절할 경우 파우치(10)의 배출구(18)가 막히는 등의 문제점을 방지할 수 있고, 디가싱 과정에서 플로우 마크가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상술한 과정을 거쳐 제어된 진공압이 파우치(10)로 공급되면, 제2수용부(14)에 포집된 가스가 관로(30)를 따라 외부로 배출된다(도 4 참조). 이때, 제1수용부(12)와 제2수용부(14)가 통로(16)를 통해 서로 연결되므로 제1수용부(12)에 과주입된 전해액이 가스와 함께 흡인된다.
전술한 바와 같이, 파우치(10)의 내부 압력을 측정하는 과정은 가스 제거가 완료될 때까지 실시간으로 반복하여 진행된다. 더불어, 파우치(10)의 내부 압력과 설정 압력을 대비하는 과정도 가스 제거가 완료될 때까지 실시간으로 반복되어 가스 및 전해액의 흡인을 위한 진공압을 조절한다.
도 5와 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 가스 제거 장치(100)를 도시한다.
본 실시예에 따른 가스 제거 장치(100)는, 진공압을 발생하는 진공펌프(110)와, 진공압을 일정하게 유지하는 버퍼탱크(120)와, 진공압을 조절하여 공급하는 스로틀밸브(130)와, 파우치(도 4의 10)의 가스 및 전해액을 흡인하는 진공패드(140)와, 파우치(10)의 내부 압력을 측정하는 진공게이지(150)와, 스로틀밸브(130)의 개방량을 제어하는 컨트롤러(160)를 포함한다.
진공펌프(110)는 기밀 용기 내부의 공기를 제거하여 대기압 이하의 진공을 만드는 장치이다. 진공펌프(110)는, 1~10－2mmHg의 진공을 만드는 소형펌프와, 10－3mmHg 이하의 고진공을 만드는 대형펌프로 구분된다. 본 실시예에 사용되는 펌프는 1~10－2mmHg의 진공을 만드는 피스톤(piston) 펌프 또는 베인(vane) 펌프일 수 있다.
버퍼탱크(120)는 진공펌프(110)에서 생성된 진공압이 저장되는 부분이다. 버퍼탱크(120)는 진공패드(140)로 인가되는 진공압을 일정하게 유지하고, 진공펌프(110)의 작동주기를 연장하여 진공펌프(110)의 수명을 연장한다.
스로틀밸브(130)는 버퍼탱크(120)에서 진공패드(140)로 공급되는 진공압을 조절하는 비례제어수단이다. 스로틀밸브(130)는 다양한 구조로 제작될 수 있는데, 그 대표적인 예가 실린더의 내부에 원판의 플랫 밸브가 설치된 구조이다. 이때, 플랫 밸브는 컨트롤러(160)의 신호에 따라 회전하며 실린더를 개방 또는 폐쇄하거나 개방량을 조절한다.
진공패드(140)는 파우치(도 4의 10)의 제2수용부(도 4의 14)에 밀착되어 배출구(18)를 통해 가스 및 전해액을 흡인하는 수단이다. 이때, 제2수용부(14)에 밀착되는 진공패드(140)의 말단에는 벨로우즈가 마련되어, 진공패드(140)와 파우치(10) 사이의 밀봉력을 향상시킨다.
한편, 스로틀밸브(130)와 진공패드(140)를 연결하는 관로(도 4의 30) 상에는 파우치(10)의 내부 압력을 측정하기 위한 진공게이지(150)가 설치된다. 진공게이지(150)가 설치된 관로(30)는 진공패드(140)를 통해 파우치(10)의 내부와 연결되므로, 진공패드(140)가 파우치(10)에 밀착되었을 때 진공게이지(150)를 통해 진공패드(140)의 내부 압력을 측정할 수 있다.
컨트롤러(160)는 파우치(10)의 내부 압력과 설정 압력을 대비하여 스로틀밸브(130)의 개방량을 제어하는 수단이다. 컨트롤러(160)는, 파우치(10)의 내부 압력과 설정 압력을 대비하는 처리모듈(162)과, 처리모듈(162)에서 대비된 값에 따라 스로틀밸브(130)의 개방량을 조절하는 제어모듈(164)로 구성된다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 상술한 가스 제거 장치(100)를 이용한 가스 제거 방법을 살펴보도록 한다.
먼저, 배출구(도 4의 18)가 마련된 파우치(도 4의 10)를 준비한다(S110). 파우치(10)는, 전극 조립체(20)가 수납되는 제1수용부(12)와, 제1수용부(12)에서 발생한 가스가 포집되는 제2수용부(14)를 포함하는 구조이며, 제1수용부(12)와 제2수용부(14)는 통로(16)를 통해 서로 연결된 구조이다.
가스 제거 장치(100)에 파우치(10)를 공급하고 진공패드(140)를 이동시켜 파우치(10)에 밀착시킨다(S120). 이때, 진공패드(140)의 말단에 마련된 벨로우즈가 압축되어 진공패드(140)와 파우치(10) 사이가 완벽하게 밀봉될 수 있도록 한다.
진공패드(140)와 연결된 관로(30)에 설치된 진공게이지(150)를 이용하여 파우치(10)의 내부 압력을 측정한다(S130). 측정된 파우치(10)의 내부 압력은 파우치(10)로 인가되는 진공압을 조절하는 기준이 되어 파우치(10)의 내부 압력이 급격하게 변동하는 것을 방지한다.
컨트롤러(160)는 측정된 파우치(10)의 내부 압력과 설정 압력을 대비하고, 대비된 값에 따라 스로틀밸브(130)의 개방량을 조절한다(S140). 파우치(10)의 내부 압력이 설정 압력보다 높으면 파우치(10)로 인가되는 진공압을 낮게 제어하고, 설정 압력보다 낮으면 파우치(10)로 인가되는 진공압을 높게 제어한다. 이와 같이, 파우치(10)의 내부 압력에 따라 파우치(10)로 인가되는 진공압을 조절할 경우 파우치(10)의 배출구(18)가 막히는 등의 문제점을 방지할 수 있고, 디가싱 과정에서 플로우 마크가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
스로틀밸브(130)를 통해 인가된 진공압을 이용하여 파우치(10)의 가스 및 전해액을 흡인한다(S150). 즉, 진공펌프(110)에서 생성되어 버퍼탱크(120)에 저장된 진공압은 스로틀밸브(130)의 개방 시 진공패드(140)를 통해 파우치(10)로 인가된다. 파우치(10)로 인가된 진공압은 제2수용부(도 4의 14)에 포집된 가스를 흡인함과 동시에 제1수용부(12)에 과주입된 전해액도 함께 흡인한다.
한편, 파우치(10)의 내부 압력 측정 단계, 파우치(10)의 내부 압력과 설정 압력 대비 단계 및 내부 압력에 따른 스로틀밸브(130)의 조절 단계는, 가스 제거가 완료될 때까지 실시간으로 반복되며 가스 및 전해액의 흡인을 제어한다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 이차 전지 10: 파우치
12: 제1수용부 14: 제2수용부
16: 통로 18: 배출구
20: 전극 조립체 30: 관로
100: 가스 제거 장치 110: 진공펌프
120: 버퍼탱크 130: 스로틀밸브
140: 진공패드 150: 진공게이지
160: 컨트롤러 162: 처리모듈
164: 제어모듈

Claims (7)

  1. 파우치형 이차 전지의 가스 제거 방법에 있어서,
    파우치의 내부 압력을 측정하는 단계; 및
    파우치에 진공압을 인가하여 가스 및 전해액을 흡인하는 단계를 포함하고,
    파우치에 인가되는 진공압은 파우치의 내부 압력에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 가스 제거 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    파우치의 내부 압력과 설정 압력을 대비하는 단계를 더 포함하며,
    파우치의 내부 압력이 설정 압력 이상일 경우 파우치에 인가되는 진공압을 낮게 제어하고, 설정 압력 이하일 경우 파우치에 인가되는 진공압을 높게 제어하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 가스 제거 방법.
  3. 파우치형 이차 전지의 가스 제거 장치에 있어서,
    진공압을 발생하는 진공펌프;
    상기 진공펌프에서 발생한 진공압을 일정하게 유지하는 버퍼탱크;
    상기 버퍼탱크에서 인가되는 진공압을 조절하여 공급하는 스로틀밸브;
    상기 스로틀밸브를 통해 인가된 진공압을 이용하여 파우치의 가스 및 전해액을 흡인하는 진공패드; 및
    상기 스로틀밸브와 상기 진공패드 사이에 설치되어 파우치의 내부 압력을 측정하는 진공게이지를 포함하고,
    상기 스로틀밸브는 상기 파우칭의 내부 압력에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 가스 제거 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    파우치의 내부 압력과 설정 압력을 대비하여 상기 스로틀밸브의 개방량을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는 이차 전지의 가스 제거 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 파우치의 내부 압력과 설정 압력을 대비하는 처리모듈과, 상기 처리모듈에서 대비된 값에 따라 상기 스로틀밸브의 개방량을 조절하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 가스 제거 장치.
  6. 청구항 5에 따른 이차 전지의 가스 제거 장치를 이용한 가스 제거 방법에 있어서,
    배출구가 마련된 파우치를 준비하는 제1단계;
    상기 진공패드가 배출구를 감싸도록 파우치에 밀착시키는 제2단계;
    상기 진공게이지를 이용하여 파우치의 내부 압력을 측정하는 제3단계;
    상기 컨트롤러를 통해 파우치의 내부 압력과 설정 압력을 대비하고, 대비된 값에 따라 상기 스로틀밸브의 개방량을 조절하는 제4단계; 및
    상기 스로틀밸브를 통해 인가된 진공압을 이용하여 파우치의 가스 및 전해액을 흡인하는 제5단계를 포함하는 이차 전지의 가스 제거 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제3단계 내지 상기 제5단계는 가스 및 전해액의 흡인이 완료될 때까지 반복되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 가스 제거 방법.
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