KR20170033601A - 탈기 과정의 공정성이 향상된 이차전지의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용량 등급 설정(grading)용 이차전지의 제조 방법에 있어서, (i) 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체를 준비하는 과정; (ii) 상기 전극조립체를 전지케이스에 수납하고, 전해액을 주입한 후에, 전압을 인가하는 활성화(formation) 과정과 일정한 온도에서 방치하는 숙성(aging) 과정; (iii) 전지의 용량 등급을 설정하기 위한 충방전 과정과 전지의 초기 전압을 인가하는 출하 충전 과정; 및 (iv) 상기 과정들에서 발생한 가스를 제거하는 탈기(degas) 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법을 제공한다.

Description

탈기 과정의 공정성이 향상된 이차전지의 제조 방법 {Method for Preparing Secondary Battery Having Improved Performance of Degassing Process}

본 발명은 용량 등급 설정용 이차전지의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 전지의 용량 등급 설정을 위한 충방전 과정 및 초기 전압 인가를 위한 출하 충전 과정이 탈기 과정 이전에 수행되는 이차전지의 제조 방법에 관한 것이다.

IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 '유비쿼터스 사회'로 발전되고 있다.

이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 노트북, 태블릿 PC, 웨어러블 전자기기 등 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.

상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있으며, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.

한편, 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있으며, 상기와 같은 요구에 따라 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.

특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

상기와 같은 이차전지는, 파우치형 전지케이스 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 분리막으로 이루어진 전극조립체를 장착한 상태에서, 전해액을 주입하고 전지를 최초로 충전하는 최초로 실시하는 1차 활성화 과정과, 상기 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하는 탈기 과정을 수행한 후에, 전지에 소정의 전압을 인가하여, 만충전, 만방전, 또는 숙성 과정을 포함하는 2차 활성화 과정을 수행하고, 케이스의 외주면을 따라 형성되어 있는 실링부를 밀봉하여 제조된다.

이때, 탈기 과정은 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하기 위해 진공 흡입 및 압력을 가하게 되는데, 가스만이 선택적으로 흡수되지 않고 전해액도 동시에 토출되기 때문에 전해액이 과량 요구되는 고용량 전지일수록 공정 조건이 까다롭다.

이와 더불어, 최근에는 기기의 소형 경박화가 요구되는 바, 과량의 전해액을 투입하고 셀의 외관 규격에 맞추기 위한 탈기 과정을 수행하는 경우, 설정된 것보다 과량의 전해액이 토출되고, 이에 따라 수명을 확보하기 위한 전해액이 부족하여 전지의 수명 특성 및 사이클 특성이 떨어지는 문제점이 있었다.

반면에, 전해액 잔존량 확보를 위해 탈기 압력을 낮추는 경우 가스가 충분히 제거되지 않아 부반응을 일으키는 바, 전지 성능을 악화시키고, 기포가 형성되어 바람직하지 못한 외관을 형성한다.

따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 발명의 목적은, 이차전지 제조시 용량 등급 설정을 위한 충방전 과정 및 출하 충전 과정을 탈기 과정 이전에 수행하는 바, 탈기 과정 이전에 전지케이스와 전극조립체의 두께 차이를 줄이고, 전해액 잔존 공간을 확보함으로써, 탈기 과정에서 토출되는 전해액의 예측성을 높이는 것이다.

본 발명의 목적은 또한, 상기 제조 방법에 의해 제조되어 소형 경박화된 외형을 가짐과 동시에 고전압, 고용량을 구현하는 고밀도 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용량 등급 설정(grading)용 이차전지의 제조 방법은,

(i) 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체를 준비하는 과정;

(ii) 상기 전극조립체를 전지케이스에 수납하고, 전해액을 주입한 후에, 전압을 인가하는 활성화(formation) 과정과 일정한 온도에서 방치하는 숙성(aging) 과정;

(iii) 전지의 용량 등급을 설정하기 위한 충방전 과정과 전지의 초기 전압을 인가하는 출하 충전 과정; 및

(iv) 상기 과정들에서 발생한 가스를 제거하는 탈기(degas) 과정;

을 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 이차전지의 제조 방법은, 용량 등급 설정 및 초기 전압을 인가하는 충방전 과정을 탈기 과정 이전에 수행하는 바, 상기 충방전 과정에 의해 팽창된 전극조립체가, 탈기 과정에서의 높은 압력 조건에서도 전지케이스가 과도하게 수축하지 않도록 지지하는 바, 전해액의 잔존량을 확보하는 효과를 가진다.

충방전 과정을 수행하는 경우, 충전시 전지의 +극은 (+)로 대전되고, -극은 (-)로 대전되며, SOC가 높을수록 전극 및 분리막과 인접한 전해액의 반대 극성을 이동시키는 인력이 커진다. 특히, 용량 등급 설정을 위한 충방전 과정은 SOC 100%까지 충전되어 수행되는 것이 일반적이므로, 리튬염 기타 전해액을 전극조립체 내부로 끌어당기고, 기타 반응에 의해 전극조립체가 더욱 팽창한다.

이때, 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은 탈기 과정시 전해액이 토출되지 않는 공간 확보를 목적으로 하는 바, 사방으로 팽창하는 것 보다 두께 방향으로만 팽창하는 것이 바람직하다.

즉, 전극조립체의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니나, 두께 방향으로만 팽창하는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체인 것이 바람직하며, 이에 대해서는 이하에서 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

전극조립체는 구조에 따라 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 전극조립체로 분류될 수 있다. 구체적으로, 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조이고, 스택형 전극조립체는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조이며, 스택/폴딩형 전극조립체는 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조를 가진다.

이들 전극조립체들 중, 본 발명에 따른 이차전지 제조 방법의 전극조립체는 양극 및 음극들을 분리막이 개재된 상태로 적층한 스택형 전극조립체; 또는 소정 단위의 양극 및 음극을 분리막이 개재된 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 스택/폴딩형 전극조립체;인 것이 바람직하다.

왜냐하면, 충방전에 의한 전극조립체의 스웰링에 방향성이 없는 경우, 전지케이스의 수납부와 전극조립체가 밀착되기 어려우며, 따라서 탈기 과정에서의 지지효율이 떨어지기 때문이다.

다시 말해, 탈기 과정에서는, 가스 제거를 위해 전극조립체의 두께방향으로 압력을 가하는데, 전극조립체가 너비 방향으로만 팽창하면 탈기 과정에서의 상기 가압에 대한 지지효과가 없으므로, 전해액 과토출의 문제를 해결하지 못한다.

따라서, 전극조립체는, 탈기 과정에서의 가압 방향인 두께 방향으로만 팽창하는 것이 바람직하며, 전반적으로 두께 방향으로 팽창하는 스택형/스택 폴딩형 전극조립체인 것이 바람직하다. 물론, 젤리-롤형 전극조립체도 어느정도 두께방향으로 팽창하는 바, 젤리-롤형 전극조립체에 대한 본 발명의 적용이 제한되는 것은 아니다.

또한, 전극조립체가 두께 방향으로만 팽창하더라도, 전지케이스에서 전극조립체가 수납되는 수납부의 깊이가 지나치게 깊은 경우, 상기 깊이와 전극조립체의 두께 차이가 커서, 전해액이 과토출될 수 있다.

따라서, 상기 전극조립체가 수납되는 전지케이스의 수납부의 깊이는, 활성화 과정 이전의 전극조립체의 두께에서 0.1 mm를 더한 값 보다 얕고, 활성화 과정 이전의 전극조립체의 두께에서 0.1 mm를 뺀 값 보다 깊을 수 있으며, 더욱 상세하게는, 활성화 과정 이전의 전극조립체의 두께와 동일할 수 있다.

상기 범위를 벗어나, 수납부의 깊이가 전극조립체의 두께 보다 지나치게 깊은 경우, 탈기 과정에서 가압에 의해 토출될 수 있는 전해액의 양이 증가하므로 바람직하지 않고, 수납부의 깊이가 전극조립체의 두께 보다 얕은 경우, 전극조립체의 수납이 어려워 바람직하지 않다.

즉, 본 발명에 따른 이차전지의 제조 방법은, 용량 등급 설정 및 초기 전압을 인가하는 충방전 과정을 통해 전극조립체가 두께 방향으로 팽창하고 수납부의 상하면에 밀착되면서, 수납부도 함께 팽창한 후에, 탈기 과정을 수행하는 바, 탈기 과정에서 수직 방향으로 압력을 가하여도, 전지케이스가 과도하게 수축하지 않으므로, 전해액의 잔존량을 확보하는 효과를 가진다.

이하에서는 본 발명에 따른 이차전지의 제조 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 과정(i)에서는, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체를 준비한다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

이러한 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물, 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 복합 산화물, 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄, 디설파이드 화합물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 흑연, 카본블랙, 도전성 섬유, 금속 분말, 도전성 위스키, 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 셀룰로우즈, 고무, 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리올레핀계 중합체, 섬유상 물질이 사용된다.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

이러한 음극 활물질로는, 예를 들어, 탄소, 금속 복합 산화물, 리튬 금속, 리튬 합금, 규소계 합금, 주석계 합금, 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료, 실리콘계 물질 등이 사용된다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ㎛ 내지 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다.

이와 같은 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체는, 앞서 설명한 것과 같이 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체일 수 있다.

다음으로, 상기 과정(ii)에서는, 상기 전극조립체를 전지케이스에 수납하고, 전해액을 주입한 후에, 전압을 인가하는 활성화(formation) 과정과 일정한 온도에서 방치하는 숙성(aging) 과정을 수행한다.

상기 과정(ii)의 활성화 과정은, 1차 활성화 과정(primary formation) 또는 pre-charging에 해당한다.

구체적으로, 상기 과정(ii)은 SOC 0% 초과 내지 20% 이하로 설정되어 수행될 수 있으며, 상세하게는 SOC 15% 이상 내지 20% 이하로 설정되어 수행될 수 있다.

이러한 1차 활성화 과정, 또는 프리차징(precharging) 과정은 전지에 최초로 전압을 인가하는 과정으로서, 일정한 SOC 및 온도에서 방치하는 숙성 과정(aging)을 포함할 수 있는데, 이러한 숙성 과정은 실질적으로 전지셀의 활성화와 함께 전지의 용량 체크 및 불량품을 선별하기 위한 목적으로 수행되며, 고온 숙성의 경우 실질적으로 불량품을 선별할 목적으로 수행된다.

상기 과정(ii)의 활성화 과정 이전 및/또는 이후에, 숙성 과정을 수행할 수 있으며, 20℃ 내지 70℃ 범위의 온도에서, 1일 내지 7일 동안 수행될 수 있다.

구체적으로, 상기 숙성 과정은 50℃ 내지 70℃ 범위의 온도에서, 0.5 일 내지 1.5 일 동안 수행되는 고온 숙성 과정과, 20℃ 내지 30℃ 범위의 온도에서, 1 일 내지 5 일 동안 수행되는 상온 숙성 과정 포함할 수 있으며, 이러한 숙성 과정은 제품의 용도 등에 따라 자유롭게 조절할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(ii)은 2일 동안 상온 숙성 과정(23℃ 내지 27℃) 이후, 1차 활성화를 위해 SOC 16.7%로 충전하고, 1일 동안 고온 숙성 과정(60℃)을 수행한 후에, 4일 재차 상온 숙성 과정(23℃ 내지 27℃)을 거쳐 수행될 수 있다.

다음으로, 상기 과정(iii)에서는 전지의 용량 등급을 설정하기 위한 충방전 과정과 전지의 초기 전압을 인가하는 출하 충전 과정을 수행한다.

이러한 용량 등급 설정 과정은, 2차 활성화 과정(secondary formation)에 해당하며, 2차 활성화 과정은 대체적으로 1차 활성화 과정 보다 높은 SOC까지 충전하여, 전극조립체의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 과정이다.

상기 과정(iii)의 용량 등급 설정 과정은 만충전 및 만방전을 통해 수행될 수 있다.

즉, 용량 등급 설정 과정은 만충전(SOC 100%)까지 충전한 후에, 만방전을 하여, SOC 0%에서의 방전 용량을 확인할 수 있다.

상기 용량 등급 설정 과정 이후에 수행되는 출하 충전 과정은, 고객의 요구 및 제품의 용도에 따라 초기 전압을 인가하는 과정으로서, 하나의 구체적인 예에서, SOC 40% 내지 SOC 60%의 범위로 충전하여 수행될 수 있다.

이와 같이 용량 등급 설정 및 출하 충전 과정을 수행한 이차전지의 전극조립체는, 두께 방향으로 팽창하며, 이에 따라 전지케이스의 수납부에 밀착되고, 수납부를 바깥으로 밀어내어 전체 이차전지의 두께를 증가시킨다.

구체적으로, 상기 과정(iii)을 수행한 이차전지의 전극조립체의 두께는 과정(iii)을 수행하기 이전의 이차전지의 전극조립체의 두께를 기준으로 1% 이상 내지 5% 이하의 범위 내에서 증가할 수 있으며, 상세하게는 2% 이상 내지 3% 이하의 범위 내에서 증가할 수 있다.

다음으로, 상기 과정(iv)에서는, 상기 과정들(ii, iii)에서 발생한 가스를 제거하는 탈기(degas) 과정이 수행된다.

구체적으로, 상기 과정(iv)은 진공 조건 하에 압력을 가하여 수행될 수 있으며, 하나의 구체적인 예에서, 고온, 밀폐 상태에서 수행되는 Clamp & Bake 공정을 통해 수행될 수 있다.

탈기 과정이 충분히 수행되지 않는 경우, 가스가 충분히 제거되지 않아 기포를 형성하므로, 외관이 불균일하고 전지 특성을 저하하며, 전극조립체의 두께와 전지케이스 수납부의 깊이 차이가 큰 상태로, 압력을 가하여 탈기 과정이 충분히 수행되는 경우, 전해액이 과토출되어 설계값 보다 적은 양의 전해액이 잔존하거나, 전해액이 오염되는 등의 문제점이 있었다.

본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 탈기 과정 이전에 용량 등급 설정 및 출하 충전 과정을 수행하는 바, 탈기 과정 이전에 전극조립체의 두께와 전지케이스 수납부의 깊이 차이를 줄임으로써 과토출 없이 탈기 과정을 수행하면서, 전지셀 내에 다량의 전해액을 확보할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

한편, 본 발명에 따른 이차전지는 전해액을 주입하고, 활성화 과정 이후 압력 및 진공에 의한 탈기 과정을 수행하여 제조되는 파우치형 리튬 이온 전지인 것이 바람직하며, 따라서 상기 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지 케이스를 포함하는 파우치형 이차전지인 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 전지팩과, 상기 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스는 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 전지자전거 및 무선 항공기에서 선택될 수 있으며, 특히 소형 경박화 됨과 동시에, 고용량 및 고전압을 구현하는 고밀도 전지를 필요로 하는 디바이스일 수 있다.

이들 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지의 제조 방법은 탈기 과정 이전에 전지의 용량 등급을 설정하기 위한 충방전 과전 및 출하 충전 과정을 통해 전극조립체의 두께가 상승하여, 수납부와 전극조립체를 밀착시키고, 수납부를 밀어내어, 탈기 과정의 높은 압력 조건에서도, 전해액이 잔존할 수 있는 공간을 지지하는 바, 전해액 토출량의 예측성을 높이고, 목적하는 양의 전해액을 확보하여, 소형 경박화 되면서도 고전압 및 고용량을 구현하는 고밀도 이차전지를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로서, 이차전지의 제조 방법을 대략적으로 나타낸 사시도 및 측면도들이다; 및
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예로서, 도 1에서 과정(iii)의 이차전지를 나타낸 확대투시도들이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는, 본 발명의 실시예로서, 이차전지의 제조 방법을 대략적으로 나타낸 사시도 및 측면도들이 도시되어 있고, 도 2에는, 더욱 구체적인 실시예로서, 도 1에서 과정(iii)의 이차전지를 나타낸 확대투시도들이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 과정(i)에서는 스택형 전극조립체(30)를 수지층(20A) / 금속층(20B) / 열융착층(20C)을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스(20)를 준비한다.

파우치형 전지케이스(20)는 케이스 본체와, 본체의 일측에 연결되어 있는 덮개, 전극조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(21)을 포함한다. 이때, 파우치형 전지케이스(20)는 이후 탈기 과정에서 발생한 가스를 포집하여, 가스 포켓을 형성하기 위한 밀봉 잉여부(도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있다.

또한, 과정(i)에서는 양극, 음극, 및 이들 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 각각 적층한 스택형 전극조립체(30)와, 각각의 양극 및 음극으로부터 연장된 전극 탭들을 두 개의 전극 리드들에 용접하여 준비한다.

과정(ii)에서는 준비된 스택형 전극조립체(30)를 파우치형 전지케이스(20)의 수납부(21)에 수납하고, 전해액을 주입하고 열융착부(20C)를 실링하여 이차전지(10)를 제조한다. 이때, 스택/폴딩형 전극조립체를 사용할 수 있음은 물론이다.

일반적으로, 전극조립체의 수납 과정은 전지케이스를 횡와시킨 상태로 수행되며, 이후 진행되는 전압 인가 과정, 즉 활성화 과정 및 숙성 과정은 전지케이스를 직립시킨 상태로 수행된다. 이러한 활성화 과정 및 숙성 과정에 의해, 전지케이스의 밀봉 잉여부에는 가스가 포집되어 가스 포켓(도시되어 있지 않음)이 형성된다.

다음으로, 과정(iii)에서는 탈기 공정 이전에, 전지의 용량 등급 설정을 위한 충방전과 전지의 초기 전압을 인가하는 출하 충전을 한다. 이때, 전극조립체(30)는 두께방향으로 팽창하는 바, 이하에서는 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 과정(iii)에 의해, 즉 용량 등급 설정 및 출하 충전 과정에 의해 파우치형 케이스(20) 내에 수납되어 있는 스택형 전극조립체(30)가 두께방향으로 팽창한다.

구체적으로, 과정(iii)을 수행하기 이전 파우치형 케이스(20)의 수납부의 깊이(21a)는 전극조립체의 두께(30a)에서 0.1 mm를 더한 값과 동일하다. 수납부의 깊이와 전극조립체의 두께가 동일할 수 있음은 물론이다.

과정(iii)을 수행한 이후에는, 전극조립체(30)가 두께 방향으로 팽창하는 바, 전극조립체의 두께(30b)와 수납부의 깊이(21b)가 동일해지고, 전극조립체는 수납부의 내면에 밀착한다.

전극조립체의 두께(30b)는 팽창 전 전극조립체의 두께(30a) 대비 2% 증가하였으며, 전극조립체와 함께 수납부의 깊이도 증가하여, 팽창 전 수납부의 깊이(21a) 보다 팽창 후 수납부의 깊이(21b)가 더욱 깊다.

따라서, 과정(iii)을 수행한 이후의 이차전지(10)는 두께 방향으로 소폭 팽창하며, 파우치형 케이스(20)의 양 측면은 전극조립체(30)가 지지하게 된다.

다음으로 도 1의 과정(iv)에서는, 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하기 위한 탈기 과정으로, 이차전지의 양 측면에 압력을 가한다.

과정(iii)에서 팽창된 전극조립체에 의해, 과정(iv)에서 탈기 과정을 위해 양 측면으로 압력을 가하여도, 전해액은 과다하게 토출되지 않는다.

이와 달리, 종래 일반적인 이차전지 제조 방법은, 1차 활성화 과정과 2차 활성화 과정 사이에 과정(iv)를 수행하는 바, 상기와 같이 팽창된 전극조립체의 지지효과를 얻을 수 없었다.

즉, 본 발명에 따른 이차 전지의 제조 방법은 탈기 과정 이전에 전지의 용량 등급을 설정하기 위한 충방전 과정과 전지의 초기 전압을 인가하는 출하 충전 과정을 수행하여, 소형 경박화와 더불어 고전압 및 고용량을 구현할 수 있는 고밀도 이차전지의 제조 방법 및 이로부터 제조된 이차전지를 제공한다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

1. 용량 등급 설정(grading)용 이차전지의 제조 방법에 있어서,
   (i) 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체를 준비하는 과정;
   (ii) 상기 전극조립체를 전지케이스에 수납하고, 전해액을 주입한 후에, 전압을 인가하는 활성화(formation) 과정과 일정한 온도에서 방치하는 숙성(aging) 과정;
   (iii) 전지의 용량 등급을 설정하기 위한 충방전 과정과 전지의 초기 전압을 인가하는 출하 충전 과정; 및
   (iv) 상기 과정들에서 발생한 가스를 제거하는 탈기(degas) 과정;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는,
   양극 및 음극들을 분리막이 개재된 상태로 적층한 스택형 전극조립체; 또는
   소정 단위의 양극 및 음극을 분리막이 개재된 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 스택/폴딩형 전극조립체;
   인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체가 수납되는 전지케이스의 수납부의 깊이는, 활성화 과정 이전의 전극조립체의 두께에서 0.1 mm를 더한 값 보다 얕고, 활성화 과정 이전의 전극조립체의 두께에서 0.1 mm를 뺀 값 보다 깊은 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체가 수납되는 전지케이스의 수납부의 깊이는, 활성화 과정 이전의 전극조립체의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(ii)은 SOC 0% 초과 내지 20% 이하로 설정되어 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(ii)의 활성화 과정 이전 및/또는 이후에, 숙성 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(ii)의 숙성 과정은, 20℃ 내지 70℃ 범위의 온도에서, 1일 내지 7일 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 과정(ii)의 숙성 과정은, 50℃ 내지 70℃ 범위의 온도에서, 0.5 일 내지 1.5 일 동안 수행되는 고온 숙성 과정과, 20℃ 내지 30℃ 범위의 온도에서, 1 일 내지 5 일 동안 수행되는 상온 숙성 과정 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(iii)의 용량 등급 설정 과정은 만충전 및 만방전 과정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(iii)의 출하 충전 과정은, SOC 40% 내지 SOC 60%의 범위로 충전하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(iii)을 수행한 이차전지의 전극조립체의 두께는 과정(iii)을 수행하기 이전의 이차전지의 전극조립체의 두께를 기준으로 1% 이상 내지 5% 이하의 범위 내에서 증가한 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(iii)을 수행한 이차전지의 전극조립체의 두께는 과정(iii)을 수행하기 이전의 이차전지의 전극조립체의 두께를 기준으로 2% 이상 내지 3% 이하의 범위 내에서 증가한 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(iv)은 진공 조건 하에 압력을 가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스를 포함하는 파우치형 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
16. 제 14 항에 따른 이차전지를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
17. 제 16 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 전지자전거 및 무선 항공기에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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