KR20180092051A - 분리막 잉여부를 접합시키는 전지셀 제조방법 - Google Patents

분리막 잉여부를 접합시키는 전지셀 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 젤리-롤형 전극조립체가 각형의 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 전지셀을 제조하는 방법에 있어서, 전극조립체를 양면에서 가열 가압하여 양극과 음극을 분리막에 상호 접합시키는 공정에서, 전극단자들이 위치하는 전극조립체 상단부의 반대 부위인 전극조립체 하단부에서 분리막 잉여부들을 가열 가압에 의해 접합시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법에 대한 것이다.

Description

분리막 잉여부를 접합시키는 전지셀 제조방법 {Manufacturing Method of Battery Cell Comprising Step of Binding Membrane Surplus}
본 발명은 분리막 잉여부를 접합시키는 전지셀 제조방법에 대한 것이다.
최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 구조의 젤리-롤형 전극조립체와, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
상기 젤리-롤형 전극조립체를 각형 전지케이스에 수납하기 위하여, 핫 프레스를 이용하여 각형 전지케이스의 형상에 대응되는 형상으로 변형하는 과정이 이루어진다. 이와 같은 과정에 의해 양극, 분리막 및 음극 사이에 접착력이 향상될 수 있다.
그러나, 젤리-롤형 전극조립체에서 분리막 잉여부가 접착되지 않은 상태로 전지케이스에 수납하게 되는 바, 전극조립체의 삽입 과정에서, 삽입 불량이 발생하거나, 전극조립체를 낙하시킬 때 전극조립체의 하부가 손상되는 문제가 발생한다.
따라서, 젤리-롤형 전극조립체를 각형 전지케이스에 수납하는 과정에서 상기와 같은 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 젤리-롤형 전극조립체를 양면에서 가열 가압하여 양극과 음극을 분리막에 상호 접합시키는 공정에서, 전극단자들이 위치하지 않는 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들을 접합시키는 과정을 포함하는 경우, 젤리-롤형 전지케이스를 각형의 전지케이스에 삽입할 때, 삽입 불량 및 전극조립체 하단부의 손상을 방지할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은,
젤리-롤형 전극조립체가 각형의 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 전지셀을 제조하는 방법에 있어서,
전극조립체를 양면에서 가열 가압하여 양극과 음극을 분리막에 상호 접합시키는 공정에서, 전극단자들이 위치하는 전극조립체 상단부의 반대 부위인 전극조립체 하단부에서 분리막 잉여부들을 가열 가압에 의해 접합시키는 과정을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 원통형의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하여 제조한 후, 이를 각형 전지케이스에 수납하기 위하여 각형 전지케이스의 형상과 전극조립체의 외형이 대응되도록 형상을 변형하는 과정에서, 전극단자들이 위치하지 않는 전극조립체 하단부에서 분리막 잉여부들이 접합되는 과정을 포함하고 있다.
따라서, 종래에 전지셀 제조과정에서는 전극조립체의 양극 시트 및 음극 시트 사이에 있는 분리막 부분만이 양극 시트 및 음극 시트와 접합되고, 잉여 분리막 부분은 접합되지 않은 상태에서 전지케이스에 수납하게 되어, 전극조립체의 삽입 불량이 발생하는 문제가 있었으나, 분리막 잉여부의 접합 과정을 포함함으로써, 상기와 같은 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 양극 시트 및 음극 시트 사이에 분리막이 개재된 상태에서 각형 형상으로 권취된 구조로 이루어져 있고, 권취 방향의 수직인 축 방향에서, 전극조립체의 상단부와 하단부 각각에는 양극 시트의 단부 및 음극 시트의 단부 보다 긴 길이로 연장되어 있는 분리막 잉여부들이 형성되어 있는 전지셀 제조방법일 수 있다.
상기 분리막 잉여부들의 연장 길이는 양극 시트 또는 음극 시트의 폭을 기준으로 1% 내지 20%의 범위이며, 상세하게는 5% 내지 10%일 수 있다. 상기 분리막 잉여부의 연장 길이가 전극 시트의 폭 크기의 1% 보다 짧은 경우에는, 권취하는 과정에서 양극 시트 및 음극 시트가 접촉하게 되어 단락이 발생하는 문제가 있고, 20%보다 긴 경우에는 분리막 잉여부의 두께에 의해 전극조립체의 높이가 상대적으로 작아지도록 설계가 필요하여 전지의 용량이 감소될 수 있는 문제가 있으므로 바람직하지 않다.
상기 가열 가압에 의한 접합 공정은, 전극조립체를 사이에 둔 상태에서 양 측면에 위치하는 핫 프레스 지그에 의해 수행될 수 있는 바, 예를 들어, 전극조립체의 제 1 면을 가열 가압하는 제 1 핫 프레스 지그와, 상기 제 1 면의 반대 면인 제 2 면을 가열 가압하는 제 2 핫 프레스 지그에 의해 수행될 수 있다.
상기 접합 공정에 의해 각형 전지케이스의 형상에 대응되는 외형을 갖는 젤리-롤형 전극조립체를 제조하고, 전극조립체의 전체 면적에 균일한 힘이 인가되어 양극 시트 및 음극 시트와 분리막의 접합이 일정하게 이루어지기 위하여, 상기 제 1 핫 프레스 지그 및 제 2 핫 프레스 지그는 각각 대면 접촉하는 전극조립체의 제 1 면 및 제 2 면에 밀착되는 플레이트 형상으로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 전극단자들이 위치하는 전극조립체 상단부의 반대 부위인 전극조립체 하단부에서 분리막 잉여부들을 가열 가압에 의해 접합시키기 위하여, 상기 제 1 핫 프레스 지그의 하단에는 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들을 가열 가압하기 위한 제 1 보조 지그가 형성되어 있고, 상기 제 2 핫 프레스 지그의 하단에는 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들을 가열 가압하기 위한 제 2 보조 지그가 형성될 수 있다.
상기 제 1 핫 프레스 지그와 제 2 핫 프레스 지그가 전극조립체를 양면에서 가압하기 위해 서로 근접하도록 이동한 상태에서, 제 1 보조 지그와 제 2 보조 지그는 전극조립체의 두께를 기준으로 5% 내지 50%의 이격 거리를 유지하고 있을 수 있다.
이 때, 분리막 잉여부는 대면하는 제 1 보조 지그 및 제 2 보조 지그 사이에 위치할 수 있으며, 상기 제 1 보조 지그와 제 2 보조 지그의 상호 이격 부위의 형상에 대응하여 분리막 잉여부들의 접합 형상이 결정될 수 있다.
상기 제 1 보조 지그 및 제 2 보조 지그가 마주보는 방향으로 이동하여 분리막 잉여부의 접합이 이루어지는 바, 상기 분리막 잉여부들의 접합 형상은 분리막 잉여부를 상측으로부터 하측으로 폭이 좁아지는 쐐기 형상일 수 있다.
상기 전극조립체의 제 1 면 및 제 2 면에 밀착되는 제 1 핫 프레스 지그 및 제 2 핫 프레스 지그의 표면들과 분리막 잉여부들을 가열 가압하는 제 1 보조 지그 및 제 2 보조 지그의 표면에는 오염방지 코팅층이 형성되어 있는 구조 일 수 있는 바, 제 1 보조 지그 및 제 2 보조 지그의 표면에 용융된 분리막 잉여부의 잔여물이 부착되는 것을 방지할 수 있다.
상기 핫 프레스 지그를 통해 가열 가압된 전극조립체를 각형의 전지케이스에 삽입할 때, 가열 가업에 의해 접합된 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들에 의해, 전지케이스에 대한 전극조립체의 삽입 과정이 방해받지 않을 수 있다.
상기 전지케이스는 각형 및 원통형의 금속 캔이 사용될 수 있으며, 상기와 같은 각형 및 원통형의 전지 케이스는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은, 젤리-롤형 전극조립체를 양면에서 가열 가압하여 양극과 음극을 분리막에 상호 접합시키는 공정에서, 전극단자들이 위치하지 않는 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들을 접합시키는 과정을 포함함으로써, 젤리-롤형 전극조립체를 각형 전지케이스에 위치시킬 때 발생하는 삽입 불량 및 전극조립체 하단부의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체가 권취되는 과정을 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 양면에서 가열 가압하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다; 및
도 4는 본 발명에 따른 전극조립체 하단부에서 분리막 잉여부들이 가열 가압에 의해 접합되는 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체가 권취되는 과정의 사시도를 모식적으로 나타내고 있다.
도 1을 참조하면, 젤리-롤 전극조립체(10)는 전극시트(11)보다 분리막(12)의 길이 및 폭이 상대적으로 큰 시트의 형태일 수 있다.
전극 시트(11)는 양극 시트 또는 음극 시트일 수 있고, 교번 배열로 적층된 양극 시트와 음극 시트 사이에는 분리막이 개재된 상태에서 일정한 방향으로 권취되어 젤리-롤형 전극조립체(10)를 제조할 수 있으며, 양극 시트 및 음극 시트의 의 일면 또는 양면에는 전극 합제가 코팅되어 있는 구조일 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 전지셀 제조방법에 의해 핫 프레스 지그를 이용하여 전극조립체를 가열 가압하는 과정을 도시하고 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전극조립체(10)의 우측 및 좌측 각각에는 제 1 핫 프레스 지그(101) 및 제 2 핫 프레스 지그(102)가 전극조립체의 넓은 면 방향과 평행하게 위치하고 있으며, 제 1 핫 프레스 지그(101) 및 제 2 핫 프레스 지그(102)는 전극조립체의 우측면 및 좌측면에 밀착되는 플레이트 형상으로 이루어져 있다.
제 1 핫 프레스 지그(101)의 하단에는 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들을 가열 가압하기 위한 제 1 보조 지그(103)가 형성되어 있고, 제 2 핫 프레스 지그(102)의 하단에는 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들을 가열 가압하기 위한 제 2 보조 지그(104)가 형성되어 있다.
제 1 핫 프레스 지그(101)와 제 2 핫 프레스 지그(102)는 전극조립체(10)를 양면에서 가압하기 위해 서로 근접하도록 화살표 방향으로 이동하며, 이 때 제 1 보조 지그(103)와 제 2 보조 지그(104)는 전극조립체의 두께를 기준으로 5% 내지 50%의 이격 거리를 유지하고 있다.
제 1 보조 지그(103)와 제 2 보조 지그(104)의 상호 이격 부위의 형상에 대응하여 분리막 잉여부들이 접합된다.
도 4는 가열 가압된 전극조립체 및 접합된 분리막 잉여부 확대도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 전극조립체(10) 하단의 분리막 잉여부(110)는 제 1 보조 지그(103) 및 제 2 보조 지그(104) 사이에 위치한 상태에서 가열 가압되는 바, 상측으로부터 하측으로 폭이 좁아지는 쐐기 형상의 분리막 잉여부가 형성되게 된다.
한편, 제 1 보조 지그(103) 및 제 2 보조 지그의 표면에는 오염방지 코팅층(도시하지 않음)이 형성될 수 있는 바, 보조 지그들의 열에 의해 용융된 분리막이 부착되어 오염되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 과정에 의해 전지셀을 제조하는 경우, 가열 가압에 의해 접합된 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들에 의해, 전극조립체를 각형의 전지케이스에 삽입할 때, 삽입 과정이 방해 받지 않게 되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 젤리-롤형 전극조립체가 각형의 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 전지셀을 제조하는 방법에 있어서,
    전극조립체를 양면에서 가열 가압하여 양극과 음극을 분리막에 상호 접합시키는 공정에서, 전극단자들이 위치하는 전극조립체 상단부의 반대 부위인 전극조립체 하단부에서 분리막 잉여부들을 가열 가압에 의해 접합시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 젤리-롤형 전극조립체는 양극 시트 및 음극 시트 사이에 분리막이 개재된 상태에서 각형 형상으로 권취된 구조로 이루어져 있고;
    권취 방향의 수직인 축 방향에서, 전극조립체의 상단부와 하단부 각각에는 양극 시트의 단부 및 음극 시트의 단부 보다 긴 길이로 연장되어 있는 분리막 잉여부들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 분리막 잉여부들의 연장 길이는 양극 시트 또는 음극 시트의 폭을 기준으로 1% 내지 20%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 가압에 의한 접합 공정은, 전극조립체의 제 1 면을 가열 가압하는 제 1 핫 프레스 지그와, 상기 제 1 면의 반대 면인 제 2 면을 가열 가압하는 제 2 핫 프레스 지그에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 핫 프레스 지그 및 제 2 핫 프레스 지그는 각각 대면 접촉하는 전극조립체의 제 1 면 및 제 2 면에 밀착되는 플레이트 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 핫 프레스 지그의 하단에는 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들을 가열 가압하기 위한 제 1 보조 지그가 형성되어 있고;
    상기 제 2 핫 프레스 지그의 하단에는 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들을 가열 가압하기 위한 제 2 보조 지그가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 핫 프레스 지그와 제 2 핫 프레스 지그가 전극조립체를 양면에서 가압하기 위해 서로 근접하도록 이동한 상태에서, 제 1 보조 지그와 제 2 보조 지그는 전극조립체의 두께를 기준으로 5% 내지 50%의 이격 거리를 유지하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 보조 지그와 제 2 보조 지그의 상호 이격 부위의 형상에 대응하여 분리막 잉여부들의 접합 형상이 결정되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 분리막 잉여부들의 접합 형상은 상측으로부터 하측으로 폭이 좁아지는 쐐기 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 전극조립체의 제 1 면 및 제 2 면에 밀착되는 제 1 핫 프레스 지그 및 제 2 핫 프레스 지그의 표면들과 분리막 잉여부들을 가열 가압하는 제 1 보조 지그 및 제 2 보조 지그의 표면에는 오염방치 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 가압된 전극조립체를 각형의 전지케이스에 삽입할 때, 가열 가압에 의해 접합된 전극조립체 하단부의 분리막 잉여부들에 의해, 전지케이스에 대한 전극조립체의 삽입 과정이 방해받지 않은 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법
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