KR20180093482A - 파우치형 이차전지의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체를 파우치 케이스로 케이싱 하는 단계; 상기 파우치 케이스의 일부를 통해 내부에 전해액을 주입하는 단계; 상기 파우치 케이스를 1차 실링하는 단계; 충방전을 진행하는 단계; 상기 파우치 케이스에 디가스 홀을 형성하는 단계; 상기 파우치 케이스의 외부에서 상기 전극조립체 방향으로 압력을 가함과 더불어 초음파를 발생시켜 전해액을 진동시키면서 활성화 가스를 상기 파우치 케이스의 외부로 배출하는 단계; 및 상기 파우치 케이스를 2차 실링하는 단계;를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법을 개시한다.

Description

파우치형 이차전지의 제조방법{Method for manufacturing pouch type secondary battery}
본 발명은 파우치형 이차전지의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디개싱(Degasing) 공정에서 가스의 배출 효율을 향상시킬 수 있는 파우치형 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 파우치 타입 이차전지의 제조방법은, 준비된 파우치 타입 셀의 테두리 영역 중 일측에 위치한 전해액 주입부를 통해 전해액을 주입하는 단계, 1차 실링 라인을 따라 전해액 주입부를 1차 실링한 후 충방전을 진행하는 단계, 1차 실링 라인보다 내측에 위치한 컷팅 라인을 따라 전해액 주입부의 일부를 컷팅하는 단계, 디개싱을 수행하는 단계, 전해액 주입부를 2차 실링 하는 단계, 및 2차 실링 라인보다 외측에 위치한 컷팅 라인을 따라 전해액 주입부의 일부를 컷팅하는 단계를 포함한다.
파우치 타입 이차전지의 제조방법에 있어서, 충방전을 통한 활성화 처리 이후에 수행되는 디개싱 공정에서는 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(11)의 내부에서 디가스 푸셔(10)를 이용하여 파우치 케이스(2) 및 전극조립체(3)를 포함하는 셀(1)을 가압함으로써 내부의 활성화 가스를 디가스 홀(4)을 통해 외부로 이동시켜 제거한다.
그러나, 전극조립체는 통상적으로 스택 앤 폴딩 구조와 같이 복잡한 형태로 이루어지는 특성상 활성화 가스가 외부로 원활히 배출되기가 어려운 문제가 있어 디개싱 효율을 높이는 데에는 한계가 있다.
디개싱 효율을 높이기 위해 디가스 푸셔의 압력을 과도하게 높게 설정할 경우에는 전해액이 과도하게 토출되는 문제가 발생하게 된다.
디개싱 공정 시 배출되지 못하고 셀 내에 잔류하는 잔여 가스는 셀의 저항을 증가시켜서 품질을 저하시키는 원인이 되므로 이에 대한 대책이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 배경을 고려하여 창안된 것으로서, 파우치형 이차전지의 제조과정에서 활성화 가스를 제거하는 디개싱 공정의 효율을 높일 수 있는 파우치형 이차전지의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 (a) 전극조립체를 파우치 케이스로 케이싱 하는 단계; (b) 상기 파우치 케이스의 일부를 통해 내부에 전해액을 주입하는 단계; (c) 상기 파우치 케이스를 1차 실링하는 단계; (d) 충방전을 진행하는 단계; (e) 상기 파우치 케이스에 디가스 홀을 형성하는 단계; (f) 상기 파우치 케이스의 외부에서 상기 전극조립체 방향으로 압력을 가함과 더불어 초음파를 발생시켜 전해액을 진동시키면서 활성화 가스를 상기 파우치 케이스의 외부로 배출하는 단계; 및 (g) 상기 파우치 케이스를 2차 실링하는 단계;를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 (f)는, 상기 파우치 케이스의 적어도 일면에 대응되게 디가스 푸셔를 배치하여 상기 파우치 케이스의 평면에 수직한 방향으로 압력을 가하고, 상기 디가스 푸셔의 가압 방향으로 상기 초음파 진동을 가할 수 있다.
상기 단계 (f)는, 상기 전극조립체의 내부까지 초음파를 침투시키는 것이 바람직하다.
상기 단계 (f)는, 챔버의 내부 압력을 -95kPa 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 단계 (b)에서, 상기 파우치 케이스의 일측에 마련된 연장부에 형성된 개방구를 통하여 전해액을 주입할 수 있다.
상기 단계 (c)는, 상기 개방부를 실링하여 밀봉 처리하고, 상기 단계 (e)는, 상기 1차 실링에 의해 형성된 실링 라인보다 안쪽에 상기 디가스 홀을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면 디개싱 공정 시 셀을 가압함과 동시에 초음파를 셀에 가하여 전해액을 진동시킴으로써 활성화 가스가 원활히 이동될 수 있으므로 디개싱 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명을 적용할 경우 고로딩 및 높은 팩킹 밀도의 전극 구조를 갖거나, 스택 앤 폴딩 구조와 같이 가스 제거가 어려운 복잡한 구조의 전극조립체에 대해서도 높은 효율로 디개싱 공정을 수행하여 셀의 품질을 개선할 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 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법에 의해 수행되는 디개싱 공정을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법에 의해 수행되는 디개싱 공정을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
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 아니되며, 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 일 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.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법에 의해 수행되는 디개싱 공정을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법은 셀(1)의 평면 부분에 대응되게 디가스 푸셔(100)와 초음파 기기(110)를 배치하여 디개싱 공정 시 셀의 두께 방향으로 프레스 압력과 초음파 진동을 가하는 처리를 수행한다.
각각의 셀(1)은 얇은 판상 몸체를 갖는 것으로서, 파우치 케이스(2)와, 상기 파우치 케이스(2)에 내장되고 양극, 세퍼레이터 및 음극이 교대로 적층되어 있는 전극조립체(3)를 포함한다. 상기 양극 및 음극은 집전체의 적어도 한면에 전극 활물질, 바인더 수지, 도전제 및 기타 첨가제 등의 슬러리를 도포함으로써 제조된다. 상기 전극 활물질은, 양극의 경우, 리튬 함유 전이금속 산화물과 같은 통상의 양극 활물질이 사용되고, 음극의 경우에는 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 리튬 금속, 탄소재 및 금속 화합물 또는 이들의 혼합물과 같은 통상의 음극 활물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터로는 리튬 이차전지에 사용되는 통상의 다공성 고분자 필름이 채용 가능하다.
전극조립체(3)와 함께 파우치 케이스(2) 내에 수용되는 전해액으로는 통상의 리튬 이차전지용 전해액이 채용될 수 있다. 파우치 케이스(2)는 시트 소재로 형성되는 것으로서, 전극조립체(3)를 수용하기 위한 수납부를 구비한다. 바람직하게, 파우치 케이스(2)는 시트 소재가 소정 형상으로 가공되어 형성된 제1 케이스와 제2 케이스가 결합되어 형성된다. 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET)나 나일론(Nylon) 등의 절연물질로 이루어진 최외곽의 외부수지층과, 기계적 강도를 유지하고 수분 및 산소의 침투를 막아주는 알루미늄 소재의 금속층과, 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 폴리올레핀(Polyolepin)계 재료로 이루어진 내부수지층이 적층된 다층 구조로 구성되어 있다.
파우치 케이스(2)를 이루는 시트 소재는 필요에 따라 상기 내부 수지층과 금속층, 상기 외부 수지층과 금속층 사이에는 소정의 접착수지층이 개재될 수 있다. 상기 접착 수지층은 이종 재료 간의 원활한 부착을 위한 것으로서 단층 또는 다층으로 형성되고, 그 재료는 통상적으로 폴리올레핀계 수지가 사용되거나 원활한 가공을 위해 폴리우레탄 수지가 사용될 수 있으며, 이들의 혼합물도 채용 가능하다.
셀(1)의 적어도 일부 가장자리 부분은 열압착 등에 의해 실링이 이루어지는 부분이다. 따라서, 셀(1)의 가장자리 부분은 몸체 부분에 비해 두께가 상대적으로 매우 얇게 구성된다.
파우치형 이차전지의 제조과정에서 파우치 케이스(2)의 일측 가장자리 부분에는 다른 부분에 비해 폭이 넓은 연장부가 마련되고, 이 연장부에 형성되는 개방구를 통해 전해액이 주입된다. 전해액의 주입이 완료된 이후에 상기 개방구는 1차 실링되고, 셀(1)을 충방전시키는 활성화 처리 이후에는 상기 1차 실링에 의해 형성된 실링 라인보다 안쪽에 디가스 홀(4)이 형성된다.
디가스 푸셔(100)는 셀(1)의 적어도 일면에 대응되게 배치되어 셀(1)의 두께 방향, 즉 파우치 케이스(2)의 평면에 수직한 방향으로 파우치 케이스(2) 및 전극조립체(3)를 밀어서 압력을 가하는 프레스 기구이다. 디가스 푸셔(100)는 셀(1)을 가압하여 활성화 처리 시 발생한 가스를 이동시켜서 디가스 홀(4)을 통해 외부로 배출한다. 이러한 디가스 푸셔(100)는 통상의 실린더 장치를 채용하여 구현될 수 있다.
초음파 기기(110)는 셀(1)의 적어도 일면에 대응되게 배치되어 디개싱 공정 시 파우치 케이스(2)의 평면에 수직한 방향으로 침투되도록 초음파를 발생시켜서 가스와 함께 전해액을 진동시킨다. 초음파에 의해 전해액이 진동함에 따라 전해액에 유동성이 생겨서 가스의 이동이 용이하게 된다.
초음파 기기(110)는 실질적으로 디가스 푸셔(100)의 가압 방향과 일치하는 방향으로 초음파를 발생시켜서 전해액에 진동을 가한다. 초음파 기기(110)에 있어서 초음파를 발생시키는 초음파 트랜스듀서의 출력은 전극조립체(3)의 내부까지 초음파를 침투시킬 수 있는 정도로 설정되어 전극조립체(3)의 전극들 사이에 개재된 활성화 가스 및 전해액까지 유동시키는 것이 바람직하다.
초음파 기기(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 디가스 푸셔(100)의 일부에 내장되는 구조로 설치될 수 있다. 대안으로, 초음파 기기(110)는 도 3에 도시된 바와 같이 디가스 푸셔(100) 및 셀(1)을 사이에 두고 한 쌍이 대향하는 구조로 설치될 수도 있다.
디가스 푸셔(100) 및 초음파 기기(110)의 작동 시 챔버(120)의 내부 압력은 -95kPa 이하의 진공도로 유지함으로써 디가스 효율을 극대화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법은 케이싱 공정(단계 S10), 전해액 주입 공정(단계 S20), 1차 실링 공정(단계 S30), 충방전 처리 공정(단계 S40), 디개싱 공정(단계 S50) 및 2차 실링 공정(단계 S60)을 포함한다.
케이싱 공정(단계 S10)은 전극 조립체(3)를 파우치 케이스(2)로 케이싱 하는 단계이다. 이때, 전극조립체(3)에 구비된 전극탭과 연결된 한 쌍의 전극 리드(미도시)는 파우치 케이스(2)의 외부로 인출되며, 전극 리드에 부착된 실런트는 전극 리드와 파우치 케이스(2)의 내측면 사이에 개재된다.
케이싱 공정(단계 S10)에서, 파우치 케이스(2)는 서로 맞닿는 테두리 부분, 즉 연장부가 열융착됨으로써 전극조립체(3)를 밀봉시킬 수 있다. 상기 연장부에는 부분적으로 열융착이 생략됨으로써 전해액의 주입을 위한 개방구가 형성될 수 있다.
케이싱에 이용되는 파우치 케이스(2)는 최내측에 위치하여 전해액에 대한 내부식성, 절연성 및 열융착성을 갖는 폴리프로필렌(PP) 소재의 제1층과, 최외측에 위치하며 절연성을 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 소재의 제2층과, 상기 제1층과 제2층 사이에 개재되며 알루미늄(Al)과 같은 금속 성분으로 이루어지는 제3층을 포함하여 이루어질 수 있다.
전해액 주입 공정(단계 S20)은 케이싱이 완료된 후 파우치 케이스(2)의 상기 개방구를 통하여 전해액을 주입함으로써 전극조립체(3)에 전해액을 함침시키는 단계이다.
1차 실링 공정(단계 S30)은 전해액의 주입이 완료된 후 전극조립체(3)의 완전한 밀봉을 위해 소정의 실링 라인을 형성하며 상기 연장부를 실링하는 단계이다.
파우치 케이스(2)의 연장부에 대한 실링이 완료되고 나면, 셀(1)에 대한 충방전을 진행하는 활성화 처리가 수행된다(단계 S40).
충방전이 완료된 이후에는 실링 라인의 외곽 부분에서 소정의 컷팅 라인을 따라 연장부의 일부를 컷팅하는 공정이 진행될 수 있다. 이러한 컷팅 공정은, 연장부에 대한 실링이 완료된 이후에 불필요한 부분을 잘라내는 단계이므로, 1차 실링 공정(단계 S30)과 충방전 처리 공정(단계 S40) 사이에 이루어져도 무방하다.
디개싱 공정(단계 S50)은 연장부 상에 디가스 홀(4)을 형성한 상태에서 셀(1)에 물리적인 외력을 가하여, 충방전 과정에서 파우치 케이스(2) 내에 발생된 가스를 디가스 홀(4)을 통하여 배출시키는 단계이다. 여기서, 디가스 홀(4)은 가스 배출을 위해 연장부를 관통하여 형성된 미세 홀로서, 실링에 의해 형성된 실링 라인보다 더 안쪽에 형성되며, 실링 라인과 나란한 방향을 따라 펀칭 등에 의해 복수개가 형성될 수 있다.
디개싱 공정(단계 S50)에서는 디가스 푸셔(100)를 이용해 파우치 케이스(2)의 외부에서 전극조립체(3)의 방향으로 압력을 가함과 더불어 초음파 기기(110)를 이용해 초음파를 발생시켜 전해액을 진동시킴으로써 고효율로 가스를 파우치 케이스(2)의 외부로 배출시킨다.
디개싱 공정(단계 S50)에서, 디가스 푸셔(100)는 파우치 케이스(2)의 적어도 일면에 대응되게 배치되어 파우치 케이스(2)의 평면에 수직한 방향으로 프레스 압력을 가하고, 이와 동시에 초음파 기기(110)는 디가스 푸셔(100)의 가압 방향으로 초음파 진동을 가한다. 이 과정에서, 초음파는 전극조립체(2)의 내부까지 침투하여 전극조립체(3)의 전극들 사이에 개재된 활성화 가스 및 전해액까지 유동시킨다. 이때, 디가스 효율의 극대화를 위해 챔버(120)의 내부 압력은 -95kPa 이하로 유지되는 것이 바람직하다.
2차 실링 공정(단계 S60)은 디개싱이 완료된 셀(1)의 디가스 홀(4)을 테이핑 등과 같은 방법으로 폐쇄시키는 단계이다. 테이핑 처리를 하는 경우에는 파우치 케이스(2)의 최내측면, 즉 제1층과 동일하게 예컨대, 폴리프로필렌(PP) 재질로 이루어진 테이프가 사용될 수 있다.
2차 실링이 완료된 이후에는 파우치 케이스(2)의 연장부를 안쪽으로 접어 올리는 윙 폴딩(wing folding) 공정이 부가될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법은 디개싱 공정 시 셀을 가압함과 동시에 초음파를 가하여 가스 및 전해액을 진동시킴으로써 가스의 이동을 촉진하여 디개싱 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 높은 팩킹 밀도의 전극 구조나, 스택 앤 폴딩 구조와 같이 가스 제거가 어려운 전극조립체를 구비한 파우치형 이차전지의 제조 시 적용되어 셀의 품질을 개선할 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.
1: 셀 2: 파우치 케이스
3: 전극조립체 4: 디가스 홀
100: 디가스 푸셔 110: 초음파 기기
120: 챔버

Claims (6)

  1. (a) 전극조립체를 파우치 케이스로 케이싱 하는 단계;
    (b) 상기 파우치 케이스의 일부를 통해 내부에 전해액을 주입하는 단계;
    (c) 상기 파우치 케이스를 1차 실링하는 단계;
    (d) 충방전을 진행하는 단계;
    (e) 상기 파우치 케이스에 디가스 홀을 형성하는 단계;
    (f) 상기 파우치 케이스의 외부에서 상기 전극조립체 방향으로 압력을 가함과 더불어 초음파를 발생시켜 전해액을 진동시키면서 활성화 가스를 상기 파우치 케이스의 외부로 배출하는 단계; 및
    (g) 상기 파우치 케이스를 2차 실링하는 단계;를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (f)는,
    상기 파우치 케이스의 적어도 일면에 대응되게 디가스 푸셔를 배치하여 상기 파우치 케이스의 평면에 수직한 방향으로 압력을 가하고,
    상기 디가스 푸셔의 가압 방향으로 상기 초음파 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단계 (f)는,
    상기 전극조립체의 내부까지 초음파를 침투시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 단계 (f)는,
    챔버의 내부 압력을 -95kPa 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,
    상기 파우치 케이스의 일측에 마련된 연장부에 형성된 개방구를 통하여 전해액을 주입하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (c)는, 상기 개방구를 실링하여 밀봉 처리하고,
    상기 단계 (e)는, 상기 1차 실링에 의해 형성된 실링 라인보다 안쪽에 상기 디가스 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
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