KR20190048863A - 이차전지용 파우치의 실링 장치 및 실링 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 파우치의 실링 장치는 이차전지용 파우치를 밀봉하는 실링 장치에서, 상기 파우치의 밀봉 예정부에 열을 가하는 가열부, 그리고 상기 가열부와 연결되며 상기 밀봉 예정부에 압력을 가하는 가압부를 포함하고 상기 가압부는 상기 밀봉 예정부의 일단으로부터 타단을 향해 이동하며 상기 가열부는 상기 가압부가 이동한 경로를 따라 이동한다.

Description

이차전지용 파우치의 실링 장치 및 실링 방법{SEALING DEVICE AND SEALING METHOD OF POUCH FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지용 파우치의 실링 장치 및 실링 방법에 관한 것이다.
노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로 이러한 이차전지는 외장이나 적용 형태에 따라 캔형 이차 전지와 파우치형 이차 전지를 포함할 수 있다. 파우치형 이자전지의 경우 제조 공정 중에 외기에 대한 노출을 방지하기 위해 파우치를 실링하는 공정을 포함할 수 있다.
본 발명은 파우치의 실링부에 위치하는 이물질을 제거하여 파우치의 실링 품질을 향상시킬 수 있는 이차전지용 파우치의 실링 장치 및 실링 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 파우치의 실링 장치는 이차전지용 파우치를 밀봉하는 실링 장치에서, 상기 파우치의 밀봉 예정부에 열을 가하는 가열부, 그리고 상기 가열부와 연결되며 상기 밀봉 예정부에 압력을 가하는 가압부를 포함하고 상기 가압부는 상기 밀봉 예정부의 일단으로부터 타단을 향해 이동하며 상기 가열부는 상기 가압부가 이동한 경로를 따라 이동한다.
상기 가열부의 끝단은 곡면 형태일 수 있다.
상기 가열부의 끝단의 면적은 상기 가압부의 끝단의 면적 보다 작을 수 있다.
상기 가압부는 상기 밀봉 예정부의 내측으로부터 외측을 향해 이동할 수 있다.
상기 가압부 및 상기 가열부 사이에 이격된 공간을 더 포함할 수 있다.
상기 가열부는 끝단을 향해 갈수록 좁아지는 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 실링 방법은 상부 파우치와 하부 파우치를 포함하는 이차전지용 파우치를 실링하는 방법에서, 상부 파우치 및 하부 파우치를 준비하는 단계, 전극 조립체 및 전해액을 상기 상부 파우치 및 상기 하부 파우치 내에 수납하는 단계, 그리고 상기 상부 파우치 및 상기 하부 파우치의 밀봉 예정부를 실링(sealing)하는 단계를 포함하고, 상기 실링하는 단계는, 가압부를 이용하여 상기 밀봉 예정부의 일단으로부터 타단을 향해 압력을 가하는 단계, 그리고 가열부를 이용하여 상기 압력이 가해진 경로를 따라 열을 가하는 단계를 포함한다.
이상과 같은 실시예에 따르면 파우치형 이차 전지의 제조 공정에서 파우치의 밀봉 예정부에 존재하는 이물질을 용이하게 제거할 수 있다. 특히, 디개싱 공정 중 파우치의 밀봉 예정부에 묻을 수 있는 전해액을 확실하게 제거함으로써 이후의 실링 공정에서 파우치의 실링이 보다 확실하게 이루어지도록 할 수 있다.
본 발명에 의하면 파우치의 실링 품질을 확보할 수 있으므로 실링 불량으로 인한 파우치의 절연 파괴를 방지할 수 있다. 결과적으로는 이차전지의 성능 및 수율을 개선할 수 있음은 물론 안전성도 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 파우치형 이차전지의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실링 장치의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 파우치 및 실링 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 파우치의 실링 방법에 대한 순서도이다.
도 6은 도 4의 변형 실시예에 따른 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 위에 있다고 할 때, 이는 다른 부분 바로 위에 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 우선 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 파우치형 이차전지에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 파우치형 이차전지의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 파우치형 이차전지의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 파우치형 이차 전지는, 양극 집전체, 세퍼레이터, 음극 집전체를 기본 구조로 가지고 상기 양극 집전체로부터 연장된 양극탭, 상기 음극 집전체로부터 연장된 음극탭이 구비된 전극 조립체(20)와 상기 전극 조립체(20)를 수용하는 파우치를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상부 파우치(110)와 하부 파우치(120)를 포함하는 파우치(100)에 의해 형성된 공간에 전극 조립체(200)가 수용된다. 이후 상부 파우치(110)와 하부 파우치(120)의 외주면을 따라 위치하는 밀봉 예정부(110a, 120a)가 결합되면서 전극 조립체(200)는 파우치(100) 내에 실링된다.
전극 조립체(200)와 파우치(100)가 결합되는 경우, 외부 단자 또는 장치와의 전기적 연결 등을 위하여 상기 양극탭에서 연장된 양극 리드(210)와 상기 음극탭에서 연장된 음극 리드(220)의 일부는 외부로 노출된 형태를 가질 수 있다. 이와 관련하여 실시 형태에 따라 상기 전극 리드의 파우치(100)에 대한 부착 내지 접착을 위하여 접착 필름이 추가적으로 사용될 수도 있다.
한편, 이차전지 제조 공정에는 디개싱(degasing) 공정이 수행될 수 있다. 디개싱 공정은 활성화 공정을 비롯한 이차전지 제조 공정 중 발생한 가스를 이차전지 외부로 배출시키는 공정이다. 디개싱 공정은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 파우치(100) 가장자리를 따라 밀봉 예정부(110a, 110b)가 4개의 변을 포함하는 경우 3개의 변에 해당하는 밀봉 예정부(110a, 120a)에 대한 실링 공정이 수행된 이후 수행될 수 있다. 그리고 남겨진 1개의 변에 해당하는 밀봉 예정부(110a, 120a)는 가스 배출을 위해 남겨졌다가 디개싱 공정이 수행된 이후 실링될 수 있다.
이처럼 이차전지를 제조하는 공정에서는 한 번 이상의 실링 공정이 포함될 수 있다. 파우치(100)를 실링하는데 있어 파우치(100)의 밀봉 예정부(110a, 120a)에 이물질이 존재하는 경우 파우치(100)의 밀봉 예정부(110a, 120a)는 완전하게 실링되기 어렵다. 이러한 이물질의 대표적인 예가 전해액이다. 전해액은 파우치(100) 내부에 반드시 수용되는 물질이고, 액체로서 유동성이 있기 때문에 파우치(100)의 밀봉 예정부(110a, 120a)에 묻는 경우가 많다. 특히, 디개싱 공정 중 가스를 배출하는 과정에서 밀봉 예정부(110a, 120a)에 전해액이 묻을 수 있다.
전해액을 비롯한 이물질이 파우치(100)의 밀봉 예정부(110a, 120a)에 존재하는 상태에서 파우치(100)를 실링하는 경우, 파우치(100)의 실링 품질을 제대로 확보하기 어렵다. 파우치(100)의 실링 품질은 파우치(100)의 절연성을 확보하는 데 있어 중요한 요소이기 때문에, 밀봉 예정부(110a, 120a)의 이물질로 인한 파우치(100)의 실링 품질이 저하되는 경우, 이차 전지의 성능을 떨어뜨릴 수 있음은 물론, 이차 전지의 발화나 폭발, 감전 사고 등으로 이어질 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실링 장치에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실링 장치의 개략적인 사시도이고, 도 4는 도 3의 파우치 및 실링 장치의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 파우치의 실링 방법에 대한 순서도이다.
우선 도 3 및 도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 실링 장치는 상부 실링 어셈블리(410) 및 하부 실링 어셈블리(420)를 포함한다. 상부 실링 어셈블리(410) 및 하부 실링 어셈블리(420)는 상부 파우치(110) 및 하부 파우치(120)의 밀봉 예정부(110a, 120a)와 중첩하도록 위치할 수 있다.
상부 실링 어셈블리(410)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 밀봉 예정부(110a, 120a)에 열을 가하는 가열부(411) 및 압력을 가하는 가압부(412)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라 밀봉 예정부(110a, 120a)의 서로 마주하는 면은 열에 의해 서로 결합되는 물질을 포함할 수 있다. 가열부(411)를 통해 밀봉 예정부(110a, 120a)에 가해진 열은 밀봉 예정부(110a, 120a)를 서로 결합하여 파우치(100)를 밀봉할 수 있다.
가열부(411)의 끝단은 소정의 곡률을 가질 수 있으며 일 예로 반구 형태를 가질 수 있다. 또한 일 예로 곡률을 가지는 가열부(411)의 끝단과 밀봉 예정부(110a, 120a)가 접촉하는 면적의 너비가 3 mm 이하일 수 있다. 이와 같은 형태를 가지는 경우 밀봉 예정부(110a, 120a)를 보다 효과적으로 실링할 수 있다. 밀봉 예정부(110a, 120a)와 한 번에 넓은 면적으로 접촉하여 실링하기 보다는 좁은 면적씩 밀봉함으로써 보다 정교하게 밀봉할 수 있기 때문이다.
상부 실링 어셈블리(410)는 단면상 쐐기 모양을 가질 수 있다. 밀봉 예정부(110a, 110b)에 인접할수록 상부 실링 어셈블리(410)는 좁아지는 형태를 가질 수 있다. 밀봉 예정부(110a, 110b)에 위치하는 이물질을 효과적으로 제거하고 밀봉을 위한 열을 제공하기 위함이다. 가열부(411) 및 가압부(412) 중 적어도 하나의 단면은 쐐기 형태일 수 있다. 전술한 바와 마찬가지로 열 또는 압력을 효과적으로 가하기 위함이다.
실시예에 따라 가열부(411)의 끝단의 면적은 가압부(412)의 끝단의 면적 보다 작을 수 있다. 구체적으로 가열부(411)의 끝단과 밀봉 예정부(110a) 사이에 접하는 면적은 가압부(412)의 끝단과 밀봉 예정부(110a) 사이에 접하는 면적 보다 작을 수 있다. 가압부(412)의 끝단과 밀봉 예정부(110a) 사이의 접하는 면적이 클수록 이물질을 제거할 수 있는 면적이 크고 가열부(411)의 끝단과 밀봉 예정부(110a) 사이의 접하는 면적이 작을수록 접하는 밀봉 예정부(110a, 110b)의 실링이 보다 효과적으로 진행되지 때문이다.
가압부(412)는 도 4에 도시된 바와 같이 가열부(411)와 소정의 공간(S)을 형성하도록 이격될 수 있다.
가압부(412)는 밀봉 예정부(110a, 120a)에 압력을 가할 수 있다. 특히 가압부(412)는 밀봉 예정부(110a, 120a)의 내측으로부터 외측, 즉 파우치(110, 120)의 가장자리를 향해 이동할 수 있다. 가압부(412)는 밀봉 예정부(110a, 120a)에 압력을 가함으로써 밀봉 예정부(110a, 120a) 사이에 위치하는 이물질을 파우치(110, 120) 가장자리를 향해 이동시킬 수 있다. 가압부(412)를 이용하여 밀봉 예정부(110a, 120a) 사이에 위치하는 이물질을 제거할 수 있다.
본 명세서는 상부 실링 어셈블리(410)가 가열부(411) 및 가압부(412)를 포함하는 실시예에 대해 설명하였으나 이에 제한되지 않고 상부 실링 어셈블리(410) 및 하부 실링 어셈블리(420) 중 적어도 하나가 가열부 및 가압부를 포함하는 실시예를 가질 수 있음은 물론이다.
또한 본 명세서는 실링 장치가 상부 실링 어셈블리(410) 및 하부 실링 어셈블리(420)를 모두 포함하는 실시예에 대해 설명하였으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로 실링 장치는 상부 실링 어셈블리(410)만을 포함할 수 있으며 상부 실링 어셈블리(410)는 상부 파우치(110)의 밀봉 예정부(110a)에 인접하거나 하부 파우치(120)의 밀봉 예정부(110b)에 인접하게 위치하면서 파우치(110, 120)를 밀봉할 수도 있다.
또한 본 명세서는 도시하지 않았으나 바람직하게는, 본 발명에 따른 파우치 실링 장치는 감압 챔버(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 감압 챔버는 내부 공간을 구비하여 그러한 내부 공간에 상부 실링 어셈블리(410), 하부 실링 어셈블리(420) 및 파우치(100) 등을 수용할 수 있다. 상기 감압 챔버는 내부 공간이 감압 상태가 되도록 할 수 있다. 여기서, 감압 상태는 상압보다 낮은 압력을 갖는 상태를 말하는 것으로, 진공 상태를 포함한다.
이러한 감압 챔버는 이차 전지의 제조 공정 중 디개싱 공정에 활용되는 것일 수 있다. 활성화 공정 등을 거친 이차전지에 대하여 그 내부의 가스를 외부로 배출하는 디개싱 공정은 진공 상태와 같은 감압 상태 하에서 수행될 수 있다. 또한 이물질 제거 공정 및 파우치 실링 공정 또한 감압 상태 하에서 수행될 수 있다. 상기 실시예에 의하면, 파우치 실링 장치에 감압 챔버가 포함되도록 함으로써, 감압 챔버 내에 서 디개싱 공정이 수행된 후, 곧바로 파우치 실링부에 대한 이물질 제거 공정 및 파우치 실링 공정이 수행되도록 할 수 있다. 따라서, 디개싱 공정, 이물질 제거 공정 및 파우치 실링 공정이 하나의 챔버 내에서 이루어지도록 할 수 있다.
여기서, 감압 챔버는 파우치(100)의 실링 공정 이후 감압 상태를 해제할 수 있다. 즉, 감압 챔버 내 에서 실링 어셈블리(410, 420)에 의해 파우치(100)의 실링이 완료되면, 감압 챔버는 그 내부 공간의 압력을 감압 상태에서 상압 상태로 변경할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 전술한 실링 장치를 이용하여 파우치형 이차전지를 제조하는 방법에 대해 살펴본다.
우선 상부 실링 어셈블리(410) 및 하부 실링 어셈블리(420) 각각이 밀봉 예정부(110a, 120a)에 인접하도록 배치된다(S10).
이후 상부 실링 어셈블리(410)와 하부 실링 어셈블리(420)는 밀봉 예정부(110a, 120a)의 내측으로부터 외측을 향해 이동할 수 있다.
구체적으로 상부 실링 어셈블리(410)에서 가압부(412)가 먼저 밀봉 예정부(110a, 120a)의 내측으로부터 외측을 향해 이동하면서 밀봉 예정부(110a, 120a)에 위치하는 이물질을 제거한다(S20).
이후 가열부(411)가 가압부(412)와 동일한 경로, 즉 압력이 가해진 경로를 따라 이동하면서 밀봉 예정부(110a, 120a)에 열을 가해 상부 파우치(110) 및 하부 파우치(120)를 밀봉할 수 있다(S30).
가압부(412)를 통해 밀봉 예정부(110a, 120a) 사이에 위치하는 이물질을 파우치(100) 가장자리를 향해 이동시키고 이 경로를 따라 가열부(411)가 가하는 열을 통해 밀봉 예정부(110a, 120a)를 실링하므로 파우치(100)의 실링부에는 이물질이 위치하지 않으며 이물질에 의한 실링 불량을 개선할 수 있다.
기존에는 밀봉 예정부의 내측으로부터 외측을 향해 이물질을 제거하는 구성이 부재하여 밀봉 예정부에 전해액과 같은 이물질이 위치하는 경우 실링 불량이 발생하는 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 실시에에 따른 경우 이러한 실링 불량을 방지하여 안정성 및 신뢰성이 향상된 이차전지용 파우치의 제공이 가능할 수 있다.
본 발명의 변형 실시예에 해당하는 도 6의 실시예에 대해 설명한다. 도 3 내지 도 5를 인용하여 설명한 동일 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략할 수 있다.
도 6을 참조하면 상부 실링 어셈블리(410)는 가열부(411) 및 가압부(412)를 포함할 수 있다. 가열부(411)는 밀봉 예정부(110a, 120a)에 열을 가할 수 있으며 가압부(412)는 밀봉 예정부(110a, 120a)에 압력을 가할 수 있다. 가열부(411)와 가압부(412)는 도 4의 실시예와는 달리 서로 이격되지 않으며 하나의 본체를 이룰 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지용 파우치의 실링 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이 양극 리드(210) 및 음극 리드(220)가 동일한 방향으로 돌출된 파우치형 이차 전지에 적용될 수 있으며, 이에 제한되지 않고 양극 리드(210) 및 음극 리드(220)가 반대 방향으로 돌출된 파우치형 이차 전지에도 적용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 파우치 실링 장치는, 양극 리드(210) 및 음극 리드(220)가 서로 직교하는 방향으로 돌출된 파우치형 이차 전지에도 적용할 수 있음은 물론이다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
410: 상부 실링 어셈블리
420: 하부 실링 어셈블리
411: 가압부
412: 가열부

Claims (12)

  1. 이차전지용 파우치를 밀봉하는 실링 장치에서,
    상기 파우치의 밀봉 예정부에 열을 가하는 가열부, 그리고
    상기 가열부와 연결되며 상기 밀봉 예정부에 압력을 가하는 가압부를 포함하고
    상기 가압부는 상기 밀봉 예정부의 일단으로부터 타단을 향해 이동하며 상기 가열부는 상기 가압부가 이동한 경로를 따라 이동하는 실링 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 가열부의 끝단은 곡면 형태인 실링 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 가열부의 끝단의 면적은 상기 가압부의 끝단의 면적 보다 작은 실링 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 가압부는 상기 밀봉 예정부의 내측으로부터 외측을 향해 이동하는 실링 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 가압부 및 상기 가열부 사이에 이격된 공간을 더 포함하는 실링 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 가열부는 끝단을 향해 갈수록 좁아지는 형태를 가지는 실링 장치.
  7. 상부 파우치와 하부 파우치를 포함하는 이차전지용 파우치를 실링하는 방법에서,
    상부 파우치 및 하부 파우치를 준비하는 단계,
    전극 조립체 및 전해액을 상기 상부 파우치 및 상기 하부 파우치 내에 수납하는 단계, 그리고
    상기 상부 파우치 및 상기 하부 파우치의 밀봉 예정부를 실링(sealing)하는 단계를 포함하고,
    상기 실링하는 단계는,
    가압부를 이용하여 상기 밀봉 예정부의 일단으로부터 타단을 향해 압력을 가하는 단계, 그리고
    가열부를 이용하여 상기 압력이 가해진 경로를 따라 열을 가하는 단계를 포함하는 이차전지용 파우치의 실링 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 가열부의 끝단은 곡면 형태인 이차전지용 파우치의 실링 방법.
  9. 제7항에서,
    상기 가열부의 끝단의 면적은 상기 가압부의 끝단의 면적 보다 작은 이차전지용 파우치의 실링 방법.
  10. 제7항에서,
    상기 가압부는 상기 밀봉 예정부의 내측으로부터 외측을 향해 이동하는 이차전지용 파우치의 실링 방법.
  11. 제7항에서,
    상기 가압부 및 상기 가열부 사이에 이격된 공간을 더 포함하는 이차전지용 파우치의 실링 방법.
  12. 제7항에서,
    상기 가열부는 끝단을 향해 갈수록 좁아지는 형태를 가지는 이차전지용 파우치의 실링 방법.
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