KR20180059373A - 파우치형 이차전지의 제조방법 및 이에 사용되는 지그 - Google Patents

파우치형 이차전지의 제조방법 및 이에 사용되는 지그 Download PDF

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KR20180059373A
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Abstract

본 발명에서는 파우치형 외장재에 전극조립체와 전해액을 수납하고, 상기 파우치형 외장재의 3면은 전극조립체에 인접하여 실링되어 있고 나머지 1면은 더 연장된 상태에서 실링되어 가스 포켓부를 형성하고 있는 파우치형 이차전지에서, 상기 이차전지를 활성화하는 단계; 가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리부를 따라 내측 차단 라인과 외측 차단 라인이 설치되되, 상기 내측 차단 라인과 외측 차단 라인 각각에는 개구부가 형성되어 있으며, 내측 차단 라인의 개구부와 외측 차단 라인의 개구부는 일렬로 형성되어 있지 않도록 하는 단계; 파우치의 가스 포켓부 말단에 절개부 혹은 펀칭부를 형성하고 디개싱을 실시하는 단계; 및 가스 포켓부가 있는 가장자리에서 전극조립체에 인접하게 완전한 실링을 수행하는 단계;를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법이 제공되어 디개싱 공정시 이차전지용 파우치로부터 전해액 토출이 제어된다.

Description

파우치형 이차전지의 제조방법 및 이에 사용되는 지그 {A method of manufacturing pouch-typed secondary battery and Jig for used therefor}
본 발명은 파우치형 이차전지의 제조방법 및 이에 사용되는 지그에 관한 것이다.
최근 전자기기의 소형화 및 경량화 추세에 따라, 전원으로 작용하는 전지도 소형화 및 경량화가 요구되고 있다. 소형 경량화 및 고용량으로 충방전 가능한 전지로서 이차 전지가 실용화되고 있으며, 소형 비디오 카메라, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자 및 통신기기 등에 이용되고 있다.
이차 전지는 전극조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형 이차전지로 분류된다.
이 중, 파우치형 이차전지는 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있다.
한편, 이차 전지에 있어서는 그 특성상 첫 사이클시 양극활물질의 활성화 및 음극에서의 안정적인 SEI(Solid Electrolyte Interface) 막 생성을 위한 활성화 과정이 필수적으로 선행되어야 하는데, 이러한 활성화 과정에 의하여 다량의 가스가 발생하게 되어 외장재 내에 존재하게 된다. 이러한 가스는 외장재의 가스 포켓부에 형성된 개봉구 혹은 절개구를 통해 제거되어야 하며, 외장재는 최종 제품 형상이 되도록 열융착되어 실링된다. 상기와 같이 이차전지 내부의 가스를 배출시키는 공정을 흔히 디개싱(degassing) 공정이라 한다.
그런데, 이러한 디개싱 공정이 진행될 때, 외장재 내에 있는 가스가 진공 상태에서 배출됨에 따라, 전해액이 가스와 함께 외장재 밖으로 토출되는 현상이 발생하고, 그 결과 외장재 내의 전해액이 부족하게 되어 전지 성능을 저하시키는 문제점이 발생하게 된다.
전술한 공정을 도 1a와 도 1b를 참조하여 설명한다.
도 1a는 종래 파우치형 이차전지의 제조시에, 활성화 공정후 가스 배출을 위해 파우치 포켓부에 절개부가 형성되어 있는 일 양태를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1a에 따르면, 이차전지용 파우치(100)에 전극조립체(도시되어 있지 않음) 및 전해액(도시되어 있지 않음)이 수납되어 있고, 파우치(100) 외부로 전극 리드(10)가 연장되어 있다. 또한, 파우치를 둘러싸고 있는 가장자리부는 실링되어 있되, 일 가장자리는 연장되어 가스 포집을 위한 가스 포켓부(20)를 형성하도록 실링된다. 활성화 공정에서 발생된 가스는 가스 포켓부(20)를 거쳐, 가스 포켓부에 형성된 절개부 혹은 펀칭부(30)를 통해 배출된다.
도 1b는 종래 파우치형 이차전지의 일 양태에서 가스 배출 후에 이루어지는 실링 및 트리밍(trimming) 위치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 가스 배출이 완료된 후, 연장되어 가스 포켓부를 형성하고 있는 파우치 가장자리에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체를 따라 실링부(25)를 형성시켜서 파우치형 이차전지 최종 제품 형태로 실링되도록 하고, 가스 포켓부(20')는 소정의 위치(40)에서 제거하고 트리밍한다.
본 발명에서 해결하고자 하는 일 과제는 파우치형 이차전지의 제조시 디개싱시에 전해액이 함께 토출되는 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 파우치형 외장재에 전극조립체와 전해액을 수납하고, 상기 파우치형 외장재의 3면은 전극조립체에 인접하여 실링되어 있고 나머지 1면은 더 연장된 상태에서 실링되어 가스 포켓부를 형성하고 있는 파우치형 이차전지에서, 상기 이차전지를 활성화하는 단계; 가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리부를 따라 내측 차단 라인과 외측 차단 라인이 설치되되, 상기 내측 차단 라인과 외측 차단 라인 각각에는 1 이상의 개구부가 형성되어 있으며, 내측 차단 라인의 개구부와 외측 차단 라인의 개구부는 일렬로 형성되어 있지 않도록 하는 단계; 파우치의 가스 포켓부에 절개부 혹은 펀칭부를 형성하고 디개싱을 실시하는 단계; 및 가스 포켓부가 있는 가장자리에서 전극조립체에 인접하게 완전한 실링을 수행하는 단계;를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 상기 제1 양태에서 내측 차단 라인과 외측 차단 라인은 각각 파선(broken line) 형태의 실링부일 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 상기 제1 양태에서 내측 차단 라인과 외측 차단 라인은 지그(jig)에 형성된 돌출부가 파우치 포켓부에 적용되면서 형성될 수 있다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 상기 제1 양태와 제2 양태에서 내측 차단 라인과 외측 차단 라인 대신에 복수개의 사선 형태의 실링부일 수 있다.
본 발명의 제5 양태에 따르면, 상기 내측 차단 라인과 외측 차단 라인이 0.1 내지 1 cm 범위 범위로 이격되어 있을 수 있다.
본 발명의 제6 양태에 따르면, 상기 제3 양태에서 사용되는 지그의 파우치 포켓부에 접하는 면에, 내측 차단 라인과 외측 차단 라인에 해당하는 형태로 형성된 요철이 있을 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 파우치형 이차전지에서는 디개싱 공정을 수행하는 경우에 가스 배출시에 전해액이 함께 토출되는 현상이 없어지거나 최소화될 수 있다. 그 결과, 이차전지 설계시에 예정하였던 전해액 양이 파우치 내에 유지될 수 있고, 목적하였던 이차전지 성능이 발휘될 수 있게 된다. 또한, 파우치 포켓부에 형성되는 실링부가 전해액에 의해 오염되는 현상이 최소화될 수 있다.
도 1a는 종래 파우치형 이차전지의 제조시에, 활성화 공정후 가스 배출을 위해 파우치 포켓부에 절개부가 형성되어 있는 일 양태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1b는 종래 파우치형 이차전지의 일 양태에서 가스 배출후에 이루어지는 실링 및 트리밍 위치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 파우치형 이차전지의 가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리부를 따라 내측 차단 라인과 외측 차단 라인이 형성되어 있는 본 발명의 일 양태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2b는 파우치형 이차전지의 가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리부를 따라 내측 차단 라인과 외측 차단 라인이 형성된 후에, 디개싱을 위한 배출구가 형성된 본 발명의 일 양태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따라, 파우치형 이차전지의 가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 복수개의 사선이 설치되어 있는 본 발명의 일 양태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 양태에서 사용할 수 있는, 파우치 포켓부에 적용되는 지그 적용면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 지그를 파우치 포켓부에 적용하는 일 양태를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시양태에 따르면, 파우치형 외장재에 전극조립체와 전해액을 수납하고, 상기 파우치형 외장재의 3면은 전극조립체에 인접하여 실링되어 있고 나머지 1면은 더 연장된 상태에서 실링되어 가스 포켓부를 형성하고 있는 파우치형 이차전지에서, 상기 이차전지를 활성화하는 단계; 가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리부를 따라 내측 차단 라인과 외측 차단 라인이 설치되되, 상기 내측 차단 라인과 외측 차단 라인 각각에는 1 이상의 개구부가 형성되어 있으며, 내측 차단 라인의 개구부와 외측 차단 라인의 개구부는 일렬로 형성되어 있지 않은 단계; 파우치의 가스 포켓부에 절개부 혹은 펀칭부를 형성하고 디개싱을 실시하는 단계; 및 가스 포켓부가 있는 가장자리에서 전극조립체에 인접하게 완전한 실링을 수행하는 단계;를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법이 제공된다. 필요에 따라, 후속적으로 트리밍 공정이 수행될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
(S1) 파우치형 외장재에 전극조립체와 전해액을 수납하고, 상기 파우치형 외장재의 3면은 전극조립체에 인접하여 실링되어 있고 나머지 1면은 더 연장된 상태에서 실링되어 가스 포켓부를 형성하고 있는 파우치형 이차전지에서, 상기 이차전지를 활성화시킨다.
파우치형 외장재는 일반적으로 전극 조립체가 수용되는 하부 외장재와, 상기 하부 외장재의 상부를 밀봉하는 상부 외장재로 이루어질 수 있다. 이때, 전극 조립체가 수용되는 공간부는 상·하부 모두에 형성될 수도 있다. 한편, 상기 파우치 외장재에 포함되는 전극 조립체는 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 적어도 하나의 분리막을 포함하는 것으로, 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서는 당해 기술 분야에 알려져 있는 다양한 형태의 전극 조립체들, 예를 들면, 젤리-롤형(권취형)전극 조립체, 스택형(적층형) 전극 조립체 및/또는 스택 앤 폴딩형(복합형) 전극 조립체들이 제한없이 사용될 수 있다.
상기 젤리-롤형 전극 조립체는 전류 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질을 코팅하고, 프레싱한 후, 원하는 폭과 길이를 갖는 밴드 형태로 재단한 다음, 분리 필름을 이용해 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아서 제조되는 전극 조립체를 말하며, 스택형 전극 조립체는 음극, 분리막, 양극을 수직으로 적층하는 방식으로 제조되는 전극 조립체를 말한다. 한편, 스택 앤 폴딩형 전극 조립체는 단일 전극 또는 음극/분리막/양극으로 이루어진 전극 적층체들을 길이가 긴 시트형 분리 필름으로 말거나 접어서 제조되는 전극 조립체를 말한다.
상기 전극 조립체를 하부 외장재의 공간부에 수용한 다음, 상기 하부 외장재 공간부 주위의 가장자리부와 이에 대응되는 상부 외장재의 가장자리를 밀착시키고 밀착된 일부분을 열융착한 후 전해액을 넣고 나머지 부분을 진공 실링하면 파우치형 이차전지가 형성된다. 이 때, 파우치 외장재의 일 가장자리는 도 1a와 도 1b에서 설명한 바와 같이 일 방향으로 더 연장되어 가스 포켓부를 형성한다.
파우치로 패키징된 상태의 파우치형 이차전지, 즉, 파우치의 가장자리가 모두 밀봉된 상태의 파우치형 이차전지는 활성화 단계를 거치게 된다. 활성화 공정은 전류를 최초로 인가하는 성형 공정을 의미한다. 이때, 성형 공정은 SOC(State of Charge) 30% 내지 SOC 50%에서 진행하는 것이 바람직하다. 예컨대, SOC 30% 이하에서 진행할 경우 SEI(Solid Electrolyte Interface)막이 비교적 적게 생기고, 반대로 SOC 50% 이상에서 진행할 경우 SEI막이 비교적 많이 생기게 되어 원활한 성형 공정을 저해하기 때문이다. 이러한 활성화 공정에서 이차전지 내부에 가스가 발생한다.
(S2) 이어서, 가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리부를 따라 내측 차단 라인과 외측 차단 라인을 형성시키되, 상기 내측 차단 라인과 외측 차단 라인 각각에는 1 이상의 개구부가 형성되어 있으며, 내측 차단 라인의 개구부와 외측 차단 라인의 개구부는 일렬로 형성되어 있지 않도록 한다. 이 때, 내측 차단 라인의 개구부와 외측 차단 라인의 개구부가 "일렬로 형성되지 않는다"라는 것은 내측 차단 라인과 외측 차단 라인의 형성에 의해 전해액이나 기체가 직선으로 이동하여 배출될 수 있는 통로가 형성되어 있지 않음을 의미한다. 다만, 내측 차단 라인의 개구부와 외측 차단 라인의 개구부는 직선으로 이동하는 전해액의 토출은 방지하지만, 디개싱 공정시에 진공이 적용되는 경우에 상기 개구부를 통해 가스가 배출될 수 있다.
또한, '내측 차단 라인'이라 함은 전극조립체 수납부에 보다 인접하게 형성되어 있는 차단 라인(도 2a와 도 2b, '21')을 지칭하고, '외측 차단 라인'이라 함은 가스 포켓부 단부 쪽으로 형성되어 있는 차단 라인(도 2a와 도 2b, '22')을 지칭하는 것으로 이해한다.
본 발명에서 '차단 라인'이라 함은 융착에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 차단 라인은 실링바를 이용하여 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리를 따라 예컨대, 파선(broken line), 점선(dotted line) 형태로 부분 실링하여 형성시킬 수 있다. 이 때 실링 압력은 0.1 ~ 5㎫인 것이 바람직하고, 0.2 ~ 4㎫인 것이 더 바람직하다. 0.1㎫ 미만으로 실링하는 경우에는 실링 압력이 너무 낮아 전해액 누액을 막기에 부족할 수 있고, 5㎫을 초과하면, 실링 압력이 너무 높아 파우치를 손상시킬 우려가 있다. 또한, 실링 온도는 150 내지 180 ℃ 범위로 할 수 있다. 실링 온도가 상기 하한치보다 낮은 경우에는 융착이 적절하게 이루어지지 않을 수 있고 실링 온도가 상기 상한치보다 높은 경우에는 파우치 외장재가 손상 혹은 변형될 수 있다.
또는, 본 발명에서 차단 라인은 소정의 돌출부가 형성되어 있는 지그(jig)를 사용하여 일시적으로 물리적으로 형성시킨 것일 수 있다. 이를 위해, 도 4를 참조하여 설명하면, 파우치 포켓부에 적용되는 지그 면에, 파선 또는 점선 형태와 같은 차단 라인 형태의 돌출부가 형성되어 있는 지그(200)를 준비한다. 이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차전지(100)의 파우치 포켓부에 지그(200)가 가해질 때 파우치 포켓부가 지지될 수 있도록 파우치 포켓부 맞은 편에 지지대를 설치하고, 차단 라인에 해당하는 돌출부가 형성되어 있는 지그 면(surface)을, 내측 차단 라인과 외측 차단 라인을 형성시키고자 하는 파우치 포켓부 위치에 적용하고 디개싱 공정동안 물리적으로 가압한다. 이 때, 지그(200)는 도 5에는 도시되어 있지 않으나 연결부재를 통해 고정부재에 결합되어 있을 수 있다. 이러한 지그를 사용하는 경우, 파우치 외장재에서 실링될 부분이 융착에 의해 변형되지 않으므로, 후속 공정에서 이루어지는 실링시에 실링이 보다 완전하고 견고하게 이루어지는 장점이 있다. 상기 지그에 의해 가해지는 압력은 0.1 ~ 5㎫ 또는 0.2 ~ 4㎫ 범위일 수 있다. 0.1㎫ 미만으로 가압하는 경우에는 전해액 토출을 방지하기에 부족할 수 있고, 5㎫을 초과하면 파우치 포켓부가 찢어지거나 손상될 우려가 있다.
상기 실링바 또는 지그는 당업계에서 통상적으로 사용되는 소재로 제조될 수 있으며, 예컨대, 내열성 플라스틱, 스테인레스 스틸 등으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그 밖에, 미실링부의 길이 및 위치는 목적하는 디개싱 조건 및/또는 전해액 토출 조건에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
또는, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 내측 차단 라인과 외측 차단 라인으로 이루어진 이중 라인 대신에, 복수개의 사선(oblique line) 형태의 실링부(도 3, '21')를 형성하거나 또는 복수개의 사선 형태의 돌출부를 갖는 지그 면을 적용할 수 있다. 복수개의 사선 또한 가스 또는 액체가 이동할 수 있는 직선통로를 차단하지만, 디개싱 공정동안에 적용되는 진공하에서 가스를 배출시키는 통로로 작용할 수 있다.
(S3) 이어서, 파우치의 가스 포켓부에 절개부 혹은 펀칭부를 형성하고 디개싱을 실시한다.
가스 포켓부에 형성되는 절개부 혹은 펀칭부는 종래 파우치형 이차전지 제조시에 적용된 것과 동일하거나 유사한 방식으로 형성될 수 있다.
디개싱 공정시에 진공이 적용되고, 이 때, 가스는 내측 차단 라인과 외측 차단 라인을 통과하여 파우치 가스 포켓부에 채워지는 반면, 전해액은 가스 포켓부에 없거나 혹은 설사 있더라도 매우 소량으로 포함된다. 따라서, 진공 적용 파우치 가스 포켓부의 절개부 혹은 펀칭부로부터는 가스만이 배출되거나 혹은 대부분 가스가 배출되게 된다.
(S4) 가스 포켓부가 있는 가장자리에서 전극조립체에 인접하게 완전한 실링을 수행한다.
이 때의 실링은 전극조립체 수납부와 인접한 부분에서 전극조립체 가장자리를 따라 완전하게 실링되어 이루어지고, 불필요한 부분 트리밍이 수행된다.
한편, 내측 차단 라인(21)에는 전해액이 보다 많이 교착되어 있을 수 있으므로, 완전한 실링은 내측 차단 라인을 포함하지 않도록행할 수 있다. 즉, 완전한 실링은 내측 차단 라인(21) 외측으로, 예컨대, 외측 차단 라인(22)만을 커버하면서 수행되거나 외측 차단 라인(22)보다 더 외측에서 수행될 수 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (6)

  1. 파우치형 외장재에 전극조립체와 전해액을 수납하고, 상기 파우치형 외장재의 3면은 전극조립체에 인접하여 실링되어 있고 나머지 1면은 더 연장된 상태에서 실링되어 가스 포켓부를 형성하고 있는 파우치형 이차전지에서, 상기 이차전지를 활성화하는 단계;
    가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리부를 따라 내측 차단 라인과 외측 차단 라인이 설치되되, 상기 내측 차단 라인과 외측 차단 라인 각각에는 개구부가 형성되어 있으며, 내측 차단 라인의 개구부와 외측 차단 라인의 개구부는 일렬로 형성되어 있지 않도록 하는 단계;
    파우치의 가스 포켓부 말단에 절개부 혹은 펀칭부를 형성하고 디개싱을 실시하는 단계; 및
    가스 포켓부가 있는 가장자리에서 전극조립체에 인접하게 완전한 실링을 수행하는 단계;
    를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양태에서 내측 차단 라인과 외측 차단 라인은 각각 파선(broken line) 형태의 실링부인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    내측 차단 라인과 외측 차단 라인은 파우치 포켓부에 지그(jig)가 적용되어 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    내측 차단 라인과 외측 차단 라인 대신에 복수개의 사선 형태의 실링부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내측 차단 라인과 외측 차단 라인이 0.1 내지 1 cm 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제3항의 제조방법에서 사용되고, 파우치 포켓부에 접하는 면에, 내측 차단 라인과 외측 차단 라인에 해당하는 형태로 형성된 요철이 있는 것을 특징으로 하는 지그.
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