KR20190007710A - 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법 - Google Patents

이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 전극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체가 제조되는 단계; 일정한 외형을 유지하는 전지 케이스의 내부에, 상기 전극 조립체가 개방부를 통해 삽입되는 단계; 상기 전지 케이스의 상기 개방부를 커버하는 단계; 전해액이 상기 전지 케이스에 형성된 주입구를 통해, 상기 전지 케이스의 내부에 주입되는 단계; 상기 주입구가 폐쇄되는 단계; 사전 활성화 공정이 수행되는 단계; 상기 전지 케이스의 일측에 형성된 가스 배출 장치의 스위치에 외력이 인가되는 단계; 상기 가스 배출 장치의 가스켓이 직선 이동하고 가스 배출홀이 개방되는 단계; 및 상기 사전 활성화 공정이 수행되는 단계에서 상기 전지 케이스의 내부에 발생한 상기 제1 가스가, 외부로 배출되는 단계를 포함한다.

Description

이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법{The Secondary Battery And The Method For Manufacturing Therefore}
본 발명은 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 케이스 내부의 가스를 용이하게 배출할 수 있는 가스 배출 장치가 형성되어, 사전 활성화를 조립 공정의 이후에도 수행할 수 있음으로써 조립 시간을 단축하고 초기 충전률을 향상시키며 가스 배출량을 증가시킬 수 있는 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(Cell, Battery)는 각종 전자 기기로 둘러싸여 있는 생활 환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못하거나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.
이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학 전지인 일차 전지와 이차 전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차 전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성된다.
특히 리튬(Li)을 사용하는 리튬 전지는 전해질 형태에 따라 리튬 금속 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 이차 전지로 분류할 수 있다. 여기서 리튬 이차 전지는 전해질이 고체 또는 젤 형태이기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해질이 밖으로 누출되지 않아 발화하거나 폭발할 우려가 거의 없어 안정성이 확보되고 에너지 효율이 높다는 장점이 있다.
이러한 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 용기의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 형태가 일정한 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
이러한 캔 형(Can Type) 이차 전지는 케이스의 형상에 따라, 케이스가 다각면체의 형상을 가지는 각 형(Prismatic Type), 케이스가 원기둥의 형상을 가지는 원통형(Cylinder Type) 등으로 분류된다.
파우치 형(Pouch Type)의 이차 전지는 전해액을 주입한 후 주입구를 실링(Sealing)하고, 활성화(Formation) 공정을 수행한다. 그리고, 파우치의 일면에 홀을 타공하여 내부에서 발생하는 가스를 배출하는 디가싱(Degassing) 공정을 수행한다. 이 때, 파우치 형은 주입구를 완전히 폐쇄한 후에 활성화 공정을 수행하므로, 충전률이 높고 빠르게 가스를 배출하여 정해진 공정 시간 내에 이차 전지의 제조를 완료할 수 있다.
그러나, 캔 형(Can Type)의 이차 전지는 케이스의 일면에 홀을 타공할 수 없고, 주입구를 완전히 폐쇄한 후에는 케이스가 완전히 밀폐되므로, 디가싱 공정을 수행할 수가 없었다. 따라서 수분의 침투를 방지하기 위해, 주입구를 폐쇄하기 전에 건조실(Dry Room)에서 사전 활성화(Pre-Formation) 공정을 수행하였다. 그러나, 정해진 공정 시간 내에 이차 전지의 제조를 완료하기 위해, 가스를 완전히 배출시키지 못하고 주입구를 폐쇄하였다. 이에, 소량의 가스만을 배출시키고, 케이스의 내부에 가스가 일부 잔존하게 되었다. 이러한 잔존하는 가스에 의해, 제조가 완료된 이차 전지의 두께가 증가하는 문제가 있었다. 또한, 주입구를 폐쇄한 후에 활성화(Formation) 공정을 수행할 때에는, 케이스의 내부에 생성된 가스를 배출시킬 방법이 없었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 케이스 내부의 가스를 용이하게 배출할 수 있는 가스 배출 장치가 형성되는 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 전극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체가 제조되는 단계; 일정한 외형을 유지하는 전지 케이스의 내부에, 상기 전극 조립체가 개방부를 통해 삽입되는 단계; 상기 전지 케이스의 상기 개방부를 커버하는 단계; 전해액이 상기 전지 케이스에 형성된 주입구를 통해, 상기 전지 케이스의 내부에 주입되는 단계; 상기 주입구가 폐쇄되는 단계; 사전 활성화 공정이 수행되는 단계; 상기 전지 케이스의 일측에 형성된 가스 배출 장치의 스위치에 외력이 인가되는 단계; 상기 가스 배출 장치의 가스켓이 직선 이동하고 가스 배출홀이 개방되는 단계; 및 상기 사전 활성화 공정이 수행되는 단계에서 상기 전지 케이스의 내부에 발생한 상기 제1 가스가, 외부로 배출되는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1 가스가 외부로 배출되는 단계 이후에, 상기 가스 배출 장치가 실링되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 배출 장치가 실링되는 단계에 있어서, 상기 가스 배출 장치가 캡으로 커버되는 단계; 및 상기 캡에 레이저 용접이 수행되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 가스가 외부로 배출되는 단계 이후에, 활성화 공정이 수행되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성화 공정이 수행되는 단계 이후에, 상기 가스 배출 장치의 상기 스위치에 외력이 인가되는 단계; 및 상기 가스 배출 장치의 상기 가스켓이 직선 이동하고 상기 가스 배출홀이 개방되는 단계; 상기 활성화가 수행되는 단계에서 상기 전지 케이스의 내부에 발생한 상기 제2 가스가, 외부로 배출되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 가스가 외부로 배출되는 단계 이후에, 상기 가스 배출 장치가 실링되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 배출 장치가 실링되는 단계에 있어서, 상기 가스 배출 장치가 캡으로 커버되는 단계; 및 상기 캡에 레이저 용접이 수행되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 배출 장치는, 상기 외력이 제거되면 상기 가스켓의 위치를 복원시켜 상기 가스 배출홀을 폐쇄하는 복원부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복원부는, 탄성력을 생성하여 상기 가스켓의 위치를 복원할 수 있다.
또한, 상기 복원부는, 상기 가스 배출홀에 대향하는 상기 전지 케이스의 내벽과 상기 가스켓에 양 단이 접촉하며, 길이 방향으로 탄성력을 생성할 수 있다.
또한, 상기 스위치에 상기 외력이 인가되면, 상기 가스켓은, 상기 전지 케이스의 내측으로 직선 이동하여 상기 복원부를 압축시킬 수 있다.
또한, 상기 가스켓은, 상기 복원부와 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 가스켓은, 상기 복원부와 분리될 수 있다.
또한, 상기 가스켓은, 상기 스위치와 일체로 형성될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 전극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체를 내부에 수용하고, 일정한 외형을 유지하는 전지 케이스; 상기 전지 케이스의 내부에 형성되어, 상기 전지 케이스의 내외부를 연통하는 가스 배출홀을 개폐하는 가스켓; 외력이 인가되면 상기 외력을 상기 가스켓에 전달하여, 상기 가스켓을 직선 이동시켜 상기 가스 배출홀을 개방하는 스위치; 및 상기 외력이 제거되면 상기 가스켓 위치를 복원시켜 상기 가스 배출홀을 폐쇄하는 복원부를 포함한다.
또한, 상기 복원부는, 탄성력을 생성하여 상기 가스켓의 위치를 복원할 수 있다.
또한, 상기 복원부는, 상기 가스 배출홀에 대향하는 상기 전지 케이스의 내벽과, 상기 가스켓에 양 단이 접촉하며, 길이 방향으로 탄성력을 생성할 수 있다.
또한, 상기 스위치에 상기 외력이 인가되면, 상기 가스켓은, 상기 전지 케이스의 내측으로 직선 이동하여 상기 복원부를 압축시킬 수 있다.
또한, 상기 가스켓은, 상기 복원부와 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 가스켓은, 상기 복원부와 분리될 수 있다.
또한, 상기 가스켓은, 상기 스위치와 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
전지 케이스에 가스 배출 장치가 형성되어, 사전 활성화를 조립 공정의 이후에도 수행할 수 있음으로써 조립 시간을 단축하고 초기 충전률을 향상시키며 가스 배출량을 증가시킬 수 있다.
또한, 이차 전지의 제조 과정에서 전지 케이스 내부에 잔존하는 가스를, 가스 배출 장치의 스위치를 누르는 단순한 행위만으로 용이하게 배출할 수 있다.
또한, 전해액을 주입한 후 전지 케이스 내부의 압력을 대기압보다 저하시켜, 전지 케이스 내부에 잔존하는 가스를 완전히 배출할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 종래의 캔 형(Can Type) 이차 전지를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도 3의 A-A'에 따라 절단하여 확대한 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 도 3의 A-A'에 따라 절단하여 확대한 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출 장치가 실링되는 모습을 나타낸 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 캔 형(Can Type) 이차 전지를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
상기 기술한 바와 같이, 파우치 형(Pouch Type)의 이차 전지는 파우치의 일면에 홀을 타공할 수 있으므로, 조립 공정 이후에 사전 활성화 또는 활성화 공정을 수행하여 가스를 외부로 배출할 수 있다. 그러나, 캔 형(Can Type)의 이차 전지는 케이스의 일면에 홀을 타공할 수 없으므로, 전해액의 주입구를 폐쇄한 후에 활성화(Formation) 공정을 수행할 때에는, 케이스의 내부에 생성된 가스를 배출시킬 방법이 없었다.
구체적으로 설명하면, 이차 전지를 제조하는 과정은, 극판 공정, 조립 공정 및 활성화(Formation) 공정(화성 공정) 등 크게 세 가지 공정으로 분류된다. 극판 공정은 양극판, 음극판을 제조하는 공정이다. 이 때, 기재에 활물질을 도포함으로써 양극판 및 음극판을 제조할 수 있다.
조립 공정(S101 내지 S108)은 이차 전지를 조립하는 공정이다. 이하, 도 1에 도시된 흐름도를 참조하여 설명한다. 우선, 상기 제조한 양극판 및 음극판, 그리고 분리막을 교대로 적층하여 전극 조립체를 제조한다(S101). 그리고, 이러한 전극 조립체를, 전지 케이스의 개방부를 통해 전지 케이스에 삽입하고(S102), 전지 케이스의 개방부를 커버한다(S103). 이 때, 캔 형(Can Type)의 이차 전지에서는 전지 케이스가 일정한 외형을 유지한다. 따라서, 전지 케이스의 개방부를 커버할 때에는, 탑 캡 어셈블리 등을 이용한다. 그리고, 전지 케이스의 외벽과 탑 캡 어셈블리 등을 용접함으로써 전지 케이스의 개방부를 커버한다.
전지 케이스가 커버된 후, 전지 케이스에 형성된 주입구를 통해 전해액을 1차 주입한다(S104). 추후에 전해액을 2차 주입할 것이므로, 전해액을 1차 주입할 때에는 소량만을 주입한다. 그리고 사전 활성화(Pre-formation) 공정을 수행한다(S105). 사전 활성화 공정이란, 전극 조립체의 극판들의 표면에 SEI 층(SEI Layer)을 형성하고, 전하를 띠도록 하는 공정이다. 이를 위해, 전극 조립체에 초기 충전을 수행하고, 이 때 전지 케이스의 내부에서 가스가 발생한다. 종래의 방법에 따르면, 이러한 사전 활성화 공정은 조립 공정에 포함되어 있었다. 따라서, 이차 전지가 여전히 조립 라인 내에 존재할 때, 건조실(Dry Room)에서 주입구를 폐쇄하지 않고 사전 활성화 공정을 수행하였다. 그러나 주입구를 개방한 상태에서는 사전 활성화 공정을 오래 수행할 수가 없으므로 일부 소량의 가스만이 배출되었고(S106), 전지 케이스의 내부에 나머지 가스가 잔존하였다. 이러한 잔존하는 가스가 많으면, 이차 전지의 두께가 증가하는 문제가 발생한다. 그리고, 주입구를 통해 가스가 배출되는 과정에서, 오버플로우(Overflow)에 의해 전해액이 외부로 배출될 수도 있다. 그런데도, 조립 공정에서는 조립 시간이 정해져 있으므로, 가스를 배출하기 위해 많은 시간을 소요할 수가 없다. 따라서 조립 시간이 과도하게 소요되지 않으면서 잔존하는 가스의 양을 감소시키기 위해서는, 초기 충전시 충전률을 증가시킬 수 없었고, 불과 10% 내지 13% 정도의 충전률로 충전하여야 하였다. 그리고, 소량의 가스만이 배출된 상태로 다음 공정을 수행하였다.
그 후, 전해액을 2차로 주입한다(S107). 물론 전해액을 2차로 주입할 때, 주변을 진공 상태에 가깝도록 압력을 저하시키거나, 이차 전지를 가압하기도 한다. 이러한 과정에서, 전지 케이스의 내부에 잔존하던 가스가 더 배출되기도 하였다. 그러나, 이러한 과정에서도 전지 케이스 내부의 가스를 완벽히 배출시킬 수 없으며, 내부에 잔존하는 가스의 양을 정확히 측정할 수가 없었다. 조립 공정의 마지막 단계로, 주입구를 폐쇄한다(S108). 이로써 이차 전지의 조립이 완료된다. 그러나, 가스가 전지 케이스의 내부에 잔존할 수 있는 상태에서 주입구가 폐쇄되므로, 여전히 이차 전지의 두께가 증가할 가능성이 있었다.
마지막으로 활성화(Formation) 공정을 수행한다(S109). 활성화 공정(화성 공정)이란, 이차 전지가 전력을 공급할 수 있도록 최종적으로 충전을 완료하는 공정이다. 이 때, 이차 전지의 전극에 외부 전원을 연결하여 충전을 수행하고, 에이징(Aging) 공정을 더 수행할 수도 있다. 활성화 공정에서 충전을 수행할 때, 상기 초기 충전과 달리 충전률을 최고치까지 상승시켜 충전할 수 있다. 한편, 에이징(Aging) 공정이란, 특정 온도 및 습도에서 일정 시간 동안, 상기 조립이 완료된 이차 전지를 보관하는 공정이다. 이 때, 이차 전지의 내부에 전해액이 충분히 분산되어 이온의 이동이 최적화된다.
이러한 활성화 공정은 조립 공정과 다른 공정이므로, 조립 라인에서 벗어난 후에 수행될 수 있다. 다만, 활성화 공정을 수행하는 도중에 전지 케이스의 내부에서 가스가 또 발생할 수 있다. 그러나 이미 이차 전지의 주입구가 폐쇄되었으므로, 이 때 발생한 가스를 외부로 배출시킬 수 없어, 이차 전지의 두께가 증가할 가능성이 있었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1, 도 3에 도시됨)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)에는, 가스 배출 장치(12, 도 3에 도시됨)가 형성된다. 따라서, 사전 활성화 공정이 조립 공정 내에서 수행되는 것이 아니라, 조립 라인을 벗어난 후에 수행될 수도 있다. 또한, 활성화 공정을 수행한 후에도 전지 케이스(11, 도 3에 도시됨)의 내부의 가스를 외부로 배출할 수도 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 제조하는 방법을, 도 2에 도시된 흐름도를 참조하여 설명한다.
먼저, 극판 공정을 통해 기재에 활물질을 도포함으로써 양극판 및 음극판을 제조한다. 그리고, 조립 공정(S201 내지 S205)에서 우선, 상기 제조한 양극판 및 음극판, 그리고 분리막을 교대로 적층하여 전극 조립체(13, 도 3에 도시됨)를 제조한다(S201). 이러한 전극 조립체(13)를, 전지 케이스(11)의 개방부를 통해 전지 케이스(11)에 삽입한다(S202). 그 후, 전지 케이스(11)의 개방부 측 외벽을 리어 케이스(111, 도 3에 도시됨)와 용접함으로써, 전지 케이스(11)의 개방부를 커버한다(S203).
전지 케이스(11)가 커버된 후, 전지 케이스(11)에 형성된 주입구를 통해 전해액을 주입한다(S204). 이 때, 종래의 방법과 달리 전해액을 1차 및 2차로 나누어 주입하지 않고 한 번만 주입한다. 따라서, 전해액을 소량만 주입하는 것이 아니라, 정량으로 주입한다. 그리고 조립 공정의 마지막 단계로, 주입구를 폐쇄한다(S205). 이로써 이차 전지(1)의 조립이 완료된다.
이차 전지(1)의 조립이 완료되면, 조립 라인에서 벗어난다. 그리고, 사전 활성화(Pre-formation) 공정을 수행한다(S206). 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)에는, 가스 배출 장치(12)가 전지 케이스(11)에 형성되어 있다. 따라서, 사전 활성화 공정을 수행하며 초기 충전률을 대략 60% 내지 70%로 매우 높게 향상시킬 수 있다. 그리고 사전 활성화 공정을 수행함에 따라 발생하는 제1 가스의 양이 많더라도, 조립 공정이 이미 완료되었으므로, 조립 시간에 제한되지 않고 제1 가스를 충분히 배출할 수 있다(S207). 이로써, 전지 케이스(11)의 내부에 잔존하는 가스를 최대한 감소시켜, 이차 전지(1)의 두께가 증가하는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 가스 배출 장치(12)의 조작 방법이 매우 간단하므로, 가스 배출 장치(12)의 스위치(121, 도 3에 도시됨)를 누르는 단순한 행위만으로 전지 케이스(11) 내부에 잔존하는 제1 가스를 용이하게 배출할 수 있다.
사전 활성화 공정이 수행된 후에는 활성화 공정을 수행한다(S208). 활성화 공정을 수행한 경우, 전지 케이스(11)의 내부에서 제2 가스가 발생한다. 그러나, 제2 가스도 제1 가스와 같이, 가스 배출 장치(12)의 스위치(121)를 누르는 단순한 행위만으로 용이하게 배출할 수 있다(S209).
이 때, 사전 활성화 공정이 수행되어 발생하는 제1 가스를 배출하지 않고, 곧바로 활성화 공정을 수행할 수도 있다. 즉, 상기 S207 단계를 생략하고, 곧바로 S208 단계를 수행할 수도 있다. 다만, 사전 활성화 공정에서 발생하는 제1 가스의 양이 상당히 많으므로, S207 단계를 수행한 후에 S208 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 별도의 압력 펌프를 가스 배출 장치(12)에 연결할 수도 있다. 이러한 경우에는 전지 케이스(11) 내부의 압력을 대기압보다 저하시켜, 전지 케이스(11) 내부에 가스 매우 소량으로 잔존하더라도, 가스를 완전히 외부로 배출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 분해 사시도이다.
지금까지, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 제조하는 방법에 대하여 설명하였다. 상기 기술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)에는 가스 배출 장치(12)가 형성되므로, 이와 같은 방법을 수행할 수가 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)에 형성된 가스 배출 장치(12)에 대하여 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는 캔 형(Can Type) 이므로, 일정한 형상을 가진 금속 또는 플라스틱 등의 전지 케이스(11)에 전극 조립체(13)를 수용한다. 도 3에는 전지 케이스(11)가 다각면체 또는 다각기둥의 형상을 가지는 각 형(Prismatic Type) 전지가 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않고 전지 케이스(11)가 원기둥의 형상을 가지는 원통형(Cylinder Type)일 수 있다. 즉, 전지 케이스(11)가 일정한 형상을 가지는 캔 형(Can Type) 이라면, 제한되지 않고 다양한 종류의 이차 전지(1)일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이차 전지(1)의 일측에는 가스 배출 장치(12)가 형성된다. 일반적인 가스 배출 장치(12)는, 이차 전지(1)를 사용하면서 전해액으로부터 가스가 발생하면, 내부의 압력이 상승하여 일정 압력 이상이 될 때 자동으로 개방되어 가스를 외부로 배출한다. 즉, 전지 케이스(11)의 내부의 일정 압력 이상 되지 않은 경우에는 개방되지 않는다. 반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출 장치(12)는, 전지 케이스(11)의 내부의 압력이 일정 압력 이상이 되지 않더라도 가스를 외부로 배출할 수 있다. 심지어는 별도의 진공 펌프를 이용한다면, 전지 케이스(11)의 내부의 압력이 대기압보다 높지 않더라도 가스를 용이하게 외부로 배출할 수 있다.
전지 케이스(11)의 내부에는 전해액과 가스가 모두 수용되고, 전해액보다 가스의 밀도가 매우 낮으므로, 전해액을 전지 케이스(11)의 하부에, 가스는 전지 케이스(11)의 상부에 위치한다. 따라서, 가스만을 선별하여 용이하게 배출하도록, 가스 배출 장치(12)는 전지 케이스(11)의 상측에 배치되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 도 3의 A-A'에 따라 절단하여 확대한 측단면도이다.
전지 케이스(11)의 일측에는, 전지 케이스(11)의 내부와 외부를 연통시키는 가스 배출홀이 형성되며, 가스 배출 장치(12)는 상기 가스 배출홀을 개방 및 폐쇄한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출 장치(12)는 도 4에 도시된 바와 같이, 스위치(121), 가스켓(122), 복원부(123)를 포함한다.
스위치(121)는 전지 케이스(11)의 외부로 노출되어 형성된다. 스위치(121)는 가스 배출홀에서 돌출되어 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 사용자가 이차 전지(1)의 외부에서, 손가락 등을 이용하여 용이하게 외력을 인가할 수 있다. 사용자가 스위치(121)에 외력을 인가하면, 스위치(121)는 가스켓(122)에 상기 외력을 전달하여 가스켓(122)을 직선 이동시킨다.
가스켓(122)은 전지 케이스(11)의 내부에 형성되어 가스 배출홀을 개폐한다. 전지 케이스(11)의 내부에서 발생하는 가스는, 가스 배출홀을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 때, 가스켓(122)은 전지 케이스(11)의 내부에 형성되어, 전지 케이스(11)의 내측에서 외측을 향해 복원부(123)로부터 복원력을 받는다. 이로써, 가스켓(122)이 상기 가스 배출홀을 밀폐할 수 있다. 그런데, 스위치(121)에 외력이 인가되면, 가스켓(122)은 스위치(121)로부터 외력을 전달받아 직선 이동한다. 이 때 가스켓(122)은 전지 케이스(11)의 외측에서 내측을 향해 상기 외력을 받는다. 따라서 가스켓(122)은 외력을 받는 방향을 따라, 전지 케이스(11)의 외측에서 내측을 향해 직선 이동한다. 그럼으로써 가스켓(122)은 가스 배출홀을 개방하여, 전지 케이스(11)의 내부의 가스가 외부로 배출될 수 있다.
복원부(123)는 가스켓(122)이 가스 배출홀을 밀폐하도록 가스켓(122)에 복원력을 제공한다. 복원부(123)는 탄성의 성질을 가지는 재질로 제조되는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스프링과 같이, 탄성을 가지는 금속 등의 재질로 일정한 크기의 원을 그리며 축 방향으로 길게 연장 형성되는, 이른바 나선형의 형상을 가질 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 복원력을 생성하여 가스켓(122)에 제공할 수 있다면, 복원부(123)의 크기 및 모양은 다양하게 형성될 수 있다.
상기 복원력의 실체는, 복원부(123)로부터 생성되는 탄성력이다. 즉, 스위치(121)를 통해 외력이 인가되면, 가스켓(122)이 직선 이동하면서 복원부(123)가 길이 방향으로 변형되고, 변형된 정도와 탄성 계수에 비례하여 탄성력이 발생한다. 이 때, 상기 외력에 의해 복원부(123)가 길이 방향으로 변형되어야 한다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 복원부(123)는 상기 가스 배출홀에 대향하는 전지 케이스(11)의 내벽과, 가스켓(122)의 일면에 양 단이 각각 접촉하는 것이 바람직하다. 이로써, 외력이 인가되는 방향과 복원부(123)가 변형되는 방향이 일치하여, 탄성력이 가장 크게 발생할 수 있다.
다만 이에 제한되지 않고, 상기 가스켓(122)을 원래의 위치로 복원시키기 위해, 다른 방식으로 복원력을 제공할 수 있다. 예를 들면, 전지 케이스(11)의 내벽과 가스켓(122)의 일면에 자석을 부착하여 자기력을 생성할 수 있으며, 또는 전기를 발생시켜 전기력을 생성할 수도 있다. 즉, 상기 외력이 제거될 때 가스켓(122)을 원래의 위치로 복원시킬 수 있다면, 제한되지 않고 다양한 방법을 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(1)를 도 3의 A-A'에 따라 절단하여 확대한 측단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 배출 장치(12a)도 도 5에 도시된 바와 같이, 스위치(121a), 가스켓(122a), 복원부(123a)를 포함한다. 이하, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출 장치(12)에 대하여 설명한 내용과 중복되는 내용은, 설명을 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복원부(123a)는 탄성의 성질을 가지나, 다만 스프링이 아니라, 도 5에 도시된 바와 같이 단순한 기둥 형상을 가질 수 있다. 이 때, 복원부(123a)는 고무, 폴리우레탄 등의 비금속 물질이며 탄성의 성질을 가지는 재질로 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 가스 배출 장치(12)의 스위치(121), 가스켓(122), 복원부(123)는 각각 분리되어 형성될 수도 있으나, 적어도 두 개의 구성이 일체로 형성되어 제조될 수도 있다. 구체적으로, 스위치(121)와 가스켓(122)이 각각 분리된 구성일 수 있으나, 일체로 형성되어 제조될 수도 있다. 또한, 가스켓(122)과 복원부(123)도 각각 분리된 구성일 수 있으나, 일체로 형성되어 제조될 수도 있다. 나아가, 스위치(121), 가스켓(122), 복원부(123)가 모두 일체로 형성되어 제조될 수도 있다. 이 때, 복원부(123)가 고무 등의 재질로 제조되면, 스위치(121) 및 가스켓(122)도 동일한 재질로 제조될 수 있다.
스위치(121)에 인가하는 외력은 압력인 것이 바람직하다. 이 때에는, 사용자가 스위치(121)를 손가락 등을 이용하여 누르면, 스위치(121)가 가스켓(122)에 외력을 전달하여 가스켓(122)이 직선 이동한다. 그리고 복원부(123)의 일 단이, 가스 배출홀에 대향하는 전지 케이스(11)의 내벽에 접촉한다면, 가스켓(122)의 직선 이동에 따라 복원부(123)가 압축되며 탄성력이 생성된다. 그러나, 복원부(123)의 일 단이, 가스 배출홀이 형성된 전지 케이스(11)의 내벽에 접촉한다면, 가스켓(122)의 직선 이동에 따라 복원부(123)는 인장되며 탄성력이 생성될 수도 있다.
상기 외력은, 압력에 제한되지 않고 인력일 수도 있다. 이 때에는 가스켓(122)이 전지 케이스(11)의 내부에 형성되지 않고, 외부에 형성되어 외측에서 내측을 향해 복원부(123)로부터 복원력을 받는다. 이로써, 가스켓(122)이 상기 가스 배출홀을 밀폐할 수 있다. 그런데, 스위치(121)에 외력이 인가되면 즉, 사용자가 스위치(121)를 잡아당기면, 가스켓(122)은 스위치(121)로부터 외력을 전달받아 직선 이동한다. 이 때 가스켓(122)은 전지 케이스(11)의 내측에서 외측을 향해 상기 외력을 받는다. 따라서 가스켓(122)은 외력을 받는 방향을 따라, 전지 케이스(11)의 내측에서 외측을 향해 직선 이동한다. 그럼으로써 가스켓(122)은 가스 배출홀을 개방하여, 전지 케이스(11)의 내부의 가스가 외부로 배출될 수 있다.
즉, 스위치(121)에 외력이 인가되면 가스켓(122)이 이동하여 가스 배출홀이 개방되고, 상기 외력이 제거되면 복원부(123)의 복원력에 의해 가스켓(122)이 복원되어 가스 배출홀이 폐쇄될 수 있다면, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 이차 전지(1)는 다양한 구조를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출 장치(12)가 실링되는 모습을 나타낸 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출 장치(12)는, 전지 케이스(11)의 내부에 발생한 가스를 외부로 배출한다. 따라서, 이차 전지(1)를 제조하는 다양한 공정, 사전 활성화 공정 및 활성화 공정에서 사용될 수 있다. 그러나, 이차 전지(1)의 제조가 완료되고 일반 수요자들에게 판매되면, 전문가가 아닌 일반 수요자들이 이차 전지(1)를 사용하면서 실수로 가스 배출 장치(12)를 조작할 수 있다. 이 때, 가스 배출홀을 통해 전해액이 누출될 수도 있고, 전지 케이스(11)의 내부의 압력이 대기압보다 낮다면 외부의 공기가 전지 케이스(11)의 내부로 유입될 수도 있다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 가스 배출 장치(12)를 캡(14)으로 커버하여, 가스 배출 장치(12)를 실링할 수 있다.
만약, 이차 전지(1)를 사용하는 도중에 전지 케이스(11)의 내부에 가스가 발생하면, 이차 전지(1)의 두께가 두꺼워질 수 있다. 이러한 때에는 상기 실링한 캡(14)을 제거하고 가스 배출 장치(12)의 스위치(121)에 외력을 인가하면, 전지 케이스(11)의 내부의 가스가 외부로 배출될 수 있다.
캡(14)의 크기가 너무 작다면, 가스 배출 장치(12)의 스위치(121)를 모두 커버하지 못하여, 스위치(121)가 외부로 노출될 수 있다. 반면에, 그러나 캡(14)의 크기가 너무 크다면 가스 배출 장치(12)를 실링하는 것이 용이하지 않고, 이차 전지(1)의 전체적인 외형을 변형시킬 수 있다. 따라서, 캡(14)의 크기는 가스 배출 장치(12)의 스위치(121)를 모두 커버하면서, 실링하는 것이 용이한 정도의 크기인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 캡(14)과 가스 배출 장치(12)의 스위치(121)가 모두 원형의 형상을 가진다면, 캡(14)의 직경은 가스 배출 장치(12)의 직경의 1.2 내지 1.5배의 크기를 가질 수 있다.
캡(14)으로 가스 배출 장치(12)를 실링하는 것은, 활성화 공정이 완료되고, 제2 가스가 외부로 배출된 후에 수행되는 것이 바람직하다. 다만, 이에 제한되지 않고 사전 활성화 공정까지만 완료되고, 제1 가스만이 외부로 배출된 후에 수행될 수도 있다. 즉, 활성화 공정 전에 가스 배출 장치(12)를 실링할 수도 있다. 일반적으로 활성화 공정을 통해 발생되는 제2 가스의 양 보다, 사전 활성화 공정을 통해 발생되는 제1 가스의 양이 훨씬 많기 때문이다. 만약 발생할 제2 가스의 양이 매우 소량으로 예상된다면, 이차 전지(1)의 제조 시간을 단축시키기 위해 활성화 공정 전에 가스 배출 장치(12)를 실링할 수도 있다.
캡(14)으로 가스 배출 장치(12)를 커버한 후에는, 레이저 용접 등으로 캡(14)을 전지 케이스(11)에 고정시킬 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 전기 용접, 가스 용접 등, 캡(14)을 전지 케이스(11)에 고정시킬 수 있다면 다양한 방법을 사용할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이차 전지 11: 전지 케이스
12: 가스 배출 장치 13: 전극 조립체
14: 캡 121: 스위치
122: 가스켓 123: 복원부

Claims (15)

  1. 전극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체가 제조되는 단계;
    일정한 외형을 유지하는 전지 케이스의 내부에, 상기 전극 조립체가 개방부를 통해 삽입되는 단계;
    상기 전지 케이스의 상기 개방부를 커버하는 단계;
    전해액이 상기 전지 케이스에 형성된 주입구를 통해, 상기 전지 케이스의 내부에 주입되는 단계;
    상기 주입구가 폐쇄되는 단계;
    사전 활성화 공정이 수행되는 단계;
    상기 전지 케이스의 일측에 형성된 가스 배출 장치의 스위치에 외력이 인가되는 단계;
    상기 가스 배출 장치의 가스켓이 직선 이동하고 가스 배출홀이 개방되는 단계; 및
    상기 사전 활성화 공정이 수행되는 단계에서 상기 전지 케이스의 내부에 발생한 상기 제1 가스가, 외부로 배출되는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스가 외부로 배출되는 단계 이후에,
    상기 가스 배출 장치가 실링되는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 배출 장치가 실링되는 단계에 있어서,
    상기 가스 배출 장치가 캡으로 커버되는 단계; 및
    상기 캡에 레이저 용접이 수행되는 단계를 더 포함하는, 이차 전지의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스가 외부로 배출되는 단계 이후에,
    활성화 공정이 수행되는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 활성화 공정이 수행되는 단계 이후에,
    상기 가스 배출 장치의 상기 스위치에 외력이 인가되는 단계; 및
    상기 가스 배출 장치의 상기 가스켓이 직선 이동하고 상기 가스 배출홀이 개방되는 단계;
    상기 활성화가 수행되는 단계에서 상기 전지 케이스의 내부에 발생한 상기 제2 가스가, 외부로 배출되는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 가스가 외부로 배출되는 단계 이후에,
    상기 가스 배출 장치가 실링되는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스 배출 장치가 실링되는 단계에 있어서,
    상기 가스 배출 장치가 캡으로 커버되는 단계; 및
    상기 캡에 레이저 용접이 수행되는 단계를 더 포함하는, 이차 전지의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 장치는,
    상기 외력이 제거되면 상기 가스켓의 위치를 복원시켜 상기 가스 배출홀을 폐쇄하는 복원부를 포함하는, 이차 전지 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복원부는,
    탄성력을 생성하여 상기 가스켓의 위치를 복원하는, 이차 전지 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복원부는,
    상기 가스 배출홀에 대향하는 상기 전지 케이스의 내벽과 상기 가스켓에 양 단이 접촉하며, 길이 방향으로 탄성력을 생성하는, 이차 전지 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 스위치에 상기 외력이 인가되면,
    상기 가스켓은,
    상기 전지 케이스의 내측으로 직선 이동하여 상기 복원부를 압축시키는, 이차 전지 제조 방법.
  12. 전극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체를 내부에 수용하고, 일정한 외형을 유지하는 전지 케이스;
    상기 전지 케이스의 내부에 형성되어, 상기 전지 케이스의 내외부를 연통하는 가스 배출홀을 개폐하는 가스켓;
    외력이 인가되면 상기 외력을 상기 가스켓에 전달하여, 상기 가스켓을 직선 이동시켜 상기 가스 배출홀을 개방하는 스위치; 및
    상기 외력이 제거되면 상기 가스켓 위치를 복원시켜 상기 가스 배출홀을 폐쇄하는 복원부를 포함하는 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복원부는,
    탄성력을 생성하여 상기 가스켓의 위치를 복원하는, 이차 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복원부는,
    상기 가스 배출홀에 대향하는 상기 전지 케이스의 내벽과, 상기 가스켓에 양 단이 접촉하며, 길이 방향으로 탄성력을 생성하는, 이차 전지.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 스위치에 상기 외력이 인가되면,
    상기 가스켓은,
    상기 전지 케이스의 내측으로 직선 이동하여 상기 복원부를 압축시키는, 이차 전지.
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