KR20190118250A

KR20190118250A - 지그 프레스 장치

Info

Publication number: KR20190118250A
Application number: KR1020180041377A
Authority: KR
Inventors: 김태한; 왕연경; 심홍석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-18
Also published as: KR102479303B1

Abstract

본 발명은 분리막 접힘에 의한 불량 셀을 검출하기 위한 지그 프레스 장치에 관한 것으로, 배터리 셀이 안착되는 베이스 플레이트; 상기 베이트 플레이트의 상부에 승강 가능하도록 설치되고, 관통홀이 형성되어 있는 가압 플레이트; 상기 가압 플레이트의 관통홀을 따라 수평 이동하는 가이드 부; 및 상기 가압 플레이트의 가압 하단면 상에 위치하고, 상기 가이드 부와 연동되어 목적하는 가압 부위로 이동한 후, 배터리 셀의 상면을 가압하는 지그; 를 포함하는 구조이다.

Description

지그 프레스 장치{Jig press apparatus}

본 발명은 전극조립체의 분리막 찢김 또는 접힘에 의한 불량 셀을 검출하기 위한 상온 지그 프레스 및 불량 셀 검출방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 이차전지의 형상 면에서는, 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell) 등의 단위셀들을 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.

도 1 및 도 2에는 이러한 스택-폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조 및 제조 과정이 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 단위 셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 적층된 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14...)이 복수 개 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 분리필름(20)이 개재되어 있다. 분리필름(20)은 풀셀을 감쌀 수 있는 단위 길이를 갖고, 단위 길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 풀셀(10)로부터 시작되어 최외각의 풀셀(14)까지 연속하여 각각의 풀셀을 감싸서 풀셀의 중첩부에 개재되어 있다. 분리필름(20)의 말단부는 열융착하거나 접착 테이프(25) 등을 붙여서 마무리한다.

이러한 스택-폴딩형 전극조립체는, 예를 들어, 긴 길이의 분리필름(20) 상에 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14...)을 배열하고 분리필름(20)의 일 단부(21)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 제조된다.

이 때, 단위 셀인 풀셀들의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 적어도 하나의 풀셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 풀셀(10)의 외면이 분리필름(20)로 완전히 도포된 후 제 1 풀셀(10)의 하단면 전극이 제 2 풀셀(11)의 상단면 전극에 접하게 된다.

한편, 스택-폴딩형 전극조립체는 분리필름 상에 탑재하는 과정 및 권취하는 과정에서 작업 상의 부주의나 오류 등의 다양한 원인으로 인해, 분리막이 손상되는 문제점이 발생 할 수 있고, 특히 권취 개시부의 분리막 일면이 부분적으로 접히거나 일자로 접히는 등의 불량이 발생하여 전극 표면의 일부가 분리막으로부터 노출되는 문제가 발생할 있고 이러한 불량에 의해 동일한 극성을 갖는 전극이 계면에서 접촉하게 됨으로써, 전지의 성능 저하를 초래하는 문제점이 있다.

대표적으로 스택-폴딩형 전극조립체에서 발생할 수 있는 문제점을 설명하였으나, 이러한 분리막이 접히거나 손상되는 문제점은 상기 스택-폴딩형 전극조립체의 권취 개시점 뿐만 아니라, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 스택형(적층형) 전극조립체 등의 다양한 부위에서 공통적으로 발생할 수 있다.

종래 이차 전지의 생산 공정 중, 디개싱 공정 전/후에 측정된 전압을 비교하여 불량 전지를 선별하기도 하였으나, 디개싱 공정 후에 측정된 전압은 온도의 영향을 받아, 전압 헌팅 현상이 일어나 정확한 전압의 측정이 어려웠다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 일부 선행기술들에서는 평판 지그를 이용하여, 완성된 전극조립체의 평면을 가압한 후 전류를 인가하여 분리막으로부터 노출된 전극의 단락을 유도하여 불량 유무를 선별하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 상기 기술과 같이 전극조립체의 평면을 가압하는 평판 지그를 사용할 경우, 넓은 가압 면적으로 인해 상대적으로 낮은 가압력으로 인하여 노출되는 전극의 단락 유발이 어려우며, 특히, 스택-폴딩형 전극조립체의 경우, 권취 개시점에 발생할 수 있는 분리막 접힘 현상에 의한 전극 노출 불량을 효과적으로 선별하기 어렵다는 문제점을 안고 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

한국공개특허 제2016-0068244호 한국공개특허 제2015-0016671호 한국공개특허 제2015-0054372호 한국공개특허 제2009-0060186호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은, 배터리 셀의 분리막 찢김 또는 분리막 접힘에 의한 불량 유무를 선별하는 지그 프레스 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 배터리 셀의 불량이 우려되는 영역에 높은 압력으로 배터리 셀과 밀착하여 가압함으로써 분리막 찢김 또는 분리막 접힘에 의한 불량을 집중적으로 선별할 수 있는 지그 프레스 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상온에서 가압함으로써 불량 전지셀의 선별 기능의 정확도를 높이는 전지셀의 불량 유무 선별 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지그 프레스 장치는, 배터리 셀이 안착되는 베이스 플레이트; 및 상기 베이트 플레이트의 상부에 승강 가능하도록 설치되고, 관통홀이 형성되어 있는 가압 플레이트; 상기 가압 플레이트의 관통홀을 따라 수평 이동하는 가이드 부; 및 상기 가압 플레이트의 가압 하단면 상에 위치하고, 상기 가이드 부와 연동되어 목적하는 가압 부위로 이동한 후, 배터리 셀의 상면을 가압하는 지그; 를 포함하는 구조로 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 지그 프레스 장치는, 배터리 셀의 상부 면을 가압하기 위한 지그가 가이드 부에 의해 이동 가능하도록 구성함으로써, 분리막 찢김 또는 분리막 접힘에 의한 불량이 예상되는 영역으로 지그를 이동시켜, 불량 가능 부위를 효과적으로 가압하므로, 배터리 셀의 생산 공정에서 발생할 수 있는 불량 셀을 보다 정확하게 검출할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 가압 전/중/후의 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함할 수 있다. 가압 전/중/후 측정된 전압을 비교하여, 전압 강하가 관찰된 셀은 불량 셀로 볼 수 있다.

본 발명은 배터리 셀의 분리막 찢김 또는 분리막 접힘에 의한 불량을 검출하기 위해, 분리막 찢김 또는 분리막 접힘의 발생이 예상되는 부위를 높은 압력으로 밀착하여 가압하는 데에 특징이 있다. 이를 위하여 본 발명의 지그 프레스 장치는 배터리 셀을 가압하는 지그가 가이드 부와 함께 연동하여 이동할 수 있도록 결합된 구조로 구성되어 있다.

상기 가이드 부는 가압 플레이트에 형성된 관통홀의 형태를 따라 이동 가능하도록 설계되어 있으며, 분리막 찢김 또는 분리막 접힘이 예상되는 부위에 가이드 부를 이동시키면 가이드 부와 결합되어 있는 지그도 함께 이동하게 되는 것이다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 관통홀은 가압 플레이트의 정중앙에 일자로 연장된 형태일 수 있다. 관통홀이 연장되는 방향은 가압 플레이트의 수평 방향일 수도 있고 수직 방향일 수도 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 관통홀은 플레이트의 정중앙에 십자로 연장된 형태일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 지그는 천연 고부 또는 합성 고분자 소재로 이루어져 있으며, 가이드부와 접하는 부위에 접착제에 의해 부착되어 있는 구조일 수 있다. 상기 지그의 하단부는 평면 형태일 수 있으며, 상기 배터리 셀의 평면 면적의 10% 내지 30%, 더욱 바람직하게는 15% 내지 25%일 수 있다. 또한 상기 지그는 1mm 내지 5mm 범위의 두께를 가지는 구조일 수 있다. 상기 지그의 두께가 지나치게 얇을 경우, 불량 가능 부위를 효과적으로 가압하기에 바람직하지 않고, 두께나 지나치게 두꺼운 경우, 지그가 위치하지 않은 부위에서 분리막 표면의 손상에 의하여 노출된 전극에 대해 효과적으로 단락을 유발할 수 없으므로 바람직하지 않다.

상기 배터리 셀에 포함된 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극, 음극 및 분리막을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로, 젤리-롤(jelly-Roll)형 구조, 스택형 구조, 스택-폴딩형 구조 및 라미네이션-스택형 구조를 들 수 있다.

구체적으로, 젤리-롤은 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조되어 수평 단면 상으로 타원형의 형상을 이룬다.

또한, 스택-폴딩형 구조의 전극조립체 양극, 음극 및 분리막이 개재된 상태의 다수의 전극들 또는 유닛셀들이 중첩되고, 각각의 중첩부에는 연속적인 분리막 시트가 개재되어 권취되어 있는 구조로 이루어져 있다. 스택-폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 유닛셀은, 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 동일한 바이셀, 또는 양면에 위치한 전극의 종류가 다른 풀셀일 수 있다.

상기 극판들 또는 유닛셀들은 전극 단자들이 상부 또는 하부 변에 함께 배열되도록 적층되어 있는 구조일 수도 있고, 또는 전극 단자들이 상부 변에 제 1 전극 단자가 배열되고 상기 상부 변에 대향하는 하부 변에 제 2 전극 단자가 배열되도록 적층되어 있는 구조일 수도 있다.

한편, 본 발명은 상기 지그 프레스 장치를 사용하여, 배터리 셀의 분리막 찢김 또는 분리막 접힘에 의한 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법으로서, 지그 프레스 장치 상에 배터리 셀을 위치시킨 후 전압(V1)을 측정하는 과정; 상기 지그 프레스 장치의 가이드 부를 이용해 지그를 분리막 찢김 또는 분리막 접힘의 발생이 예상되는 부위로 이동시키는 과정; 가압하는 과정; 전압(V2)을 측정하는 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법을 제공한다.

하나의 구체적인 예에서, ΔOCV(V1-V2)가 3mV 이상인 것을 불량으로 판정할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 과정들을 상온에서 수행할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 가압 시의 압력은 500 ~ 4000 kgf일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1000 ~ 3000kgf, 가장 바람직하게는 1500 ~ 2500kgf이다. 가압 시의 압력이 너무 낮을 경우에는 분리막 접힙 또는 분리막 찢김에 의한 불량을 검출하기 어려워 바람직하지 않고, 압력이 너무 높을 경우에는 전극에 손상을 줄 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 선별의 대상이 되는 배터리 셀은 리튬 이차전지일 수 있으며, 일반적인 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄(여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi₁ _- _xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn₂ _- _xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe₁ _- _xMe’_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

본 발명은 또한, 상기 배터리 셀을 단위전지로서 둘 이상 포함하고 있는 전지팩을 제공하며, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.

이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 지그 프레스 장치는, 불량이 예상되는 부위로 지그를 이동시켜, 해당 영역에 높은 압력으로 밀착하여 가압함으로써, 효과적이고 정확하게 불량 셀을 선별할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법은, 상온에서 상기 지그 프레스 장치를 이용해, 가압 전/후의 전압 강하 여부를 판별하는 것이므로, 정확한 데이터 수집이 가능하여 불량 선별의 정확성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 스택-폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조에 대한 모식도이다.
도 2는 도 1의 스택-폴딩형 전극조립체의 제조 공정에서 단위 셀들의 배열 조합을 예시적으로 도시한 모식도이다.
도 3a,도 3b는 본 발명에 따른 지그 프레스 장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가압 플레이트의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가압 플레이트의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가압 플레이트의 모식도이다.
도 7은 도 4에 따른 가압 플레이트 및 지그를 함께 나타낸 모식도이다.
도 8은 도 5에 따른 가압 플레이트 및 지그를 함께 나타낸 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3a, 3b에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 지그 프레스 장치에 대한 모식도가 도시되어 있다. 도 3a, 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 지그 프레스 장치는, 배터리 셀(150)의 양면 중에서 일면이 상면에 접하도록 탑재되는 베이스 플레이트(110), 베이스 플레이트(110)의 상부에 승강 가능하도록 설치된 가압 플레이트(120), 가압 플레이트(120)에 형성되어 있는 관통홀(미도시)을 따라 수평 이동하는 가이드 부(130), 가이드 부와 연동되어 목적하는 가압 부위로 이동한 후, 배터리 셀(150)의 상면을 가압하는 지그(140)를 포함하도록 구성되어 있다.

상기 지그 프레스 장치는, 분리막 접힘 또는 분리막 찢김이 예상되는 부위를 집중적으로 가압하기 위해, 가이드 부(130)를 조작해 원하는 가압 부위로 지그(140)를 이동시킨 후, 배터리 셀(150)을 가압하도록 구성되어 있다.

베이스 플레이트(120)의 단부는 평면 형상으로 이루어져 있고, 지그(140)는 1mm의 두께로 가이드 부(130)의 하단면 상에 결합되어 있으며, 배터리 셀(150)을 가압하는 단부가 수직 단면상으로 원호, 정사각형, 직사각형 형상을 가질 수 있다.

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 지그 프레스 장치에서, 가압 플레이트에 대한 모식도가 도시되어 있으며, 도 7은 도 4에 따른 가압 플레이트의 하부면에 대한 모식도가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 가압 플레이트(120)의 정중앙부에 가압 플레이트의 길이방향으로 연장된 형태의 관통홀(121)이 형성되어 있다. 상기 관통홀(121)의 내부로 가이드 부(130)가 삽입되고, 가이드 부(130)는 관통홀(121)의 연장방향을 따라 왕복 이동할 수 있도록 구성된다.

도 4 및 도 7을 참조하면, 가이드 부(130)는 지그(140)와 결합되어 있고, 가이드 부가 가압 플레이트(120)의 관통홀(121)을 통해 가압 플레이트(120)를 관통하고 있으며, 가압 플레이트(120)를 관통하여 가압 플레이트의 가압면에 도달되는 지점에 지그(140)가 결합되어 있어, 지그(140)의 상부면과 가압 플레이트(120)의 하부면이 서로 맞닿아 있다. 지그(140)는 가이드 부에 결합되어 있어, 가이드 부가 관통홀을 따라 화살표 방향으로 이동할 때 함께 이동할 수 있다. 관통홀(121)의 폭은 가이드 부가 관통홀의 내부에서 이동하는 데에 지장이 없을 정도의 폭이면 족하다.

가이드 부(130)는 가압 플레이트(120)에 형성된 관통홀(121)을 따라 이동 가능하도록 설계되어 있으며, 분리막 찢김 또는 분리막 접힘이 예상되는 부위에 가이드 부(130)를 이동시키면 가이드 부(130)에 결합되어 있는 지그(140)도 함께 이동하게 되는 것이다.

상기 지그는 천연 고부 또는 합성 고분자 소재로 이루어져 있으며, 가이드부와 결합되어 있고, 볼트나 너트와 같은 고정 장치에 의해 기계적으로 결합되어 있거나, 가이드 부의 하부면과 지그의 상부면이 접착제에 의해 부착된 구조일 수 있다. 상기 지그의 하단부는 평면 형태일 수 있으며, 상기 배터리 셀의 평면 면적의 10% 내지 30%, 더욱 바람직하게는 15% 내지 25%일 수 있다. 또한 상기 지그는 1mm 내지 5mm 범위의 두께를 가지는 구조일 수 있다. 상기 지그의 두께가 지나치게 얇을 경우, 불량 가능 부위를 효과적으로 가압하기에 바람직하지 않고, 두께나 지나치게 두꺼운 경우, 지그가 위치하지 않은 부위에서 분리막 표면의 손상에 의하여 노출된 전극에 대해 효과적으로 단락을 유발할 수 없으므로 바람직하지 않다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가압 플레이트에 대한 모식도가 도시되어 있으며, 도 8은 도 5에 따른 가압 플레이트의 하부면에 대한 모식도가 도시되어 있다.

도 5, 도 8을 참조하면, 가압 플레이트(120)의 정중앙부에 가압 플레이트의 폭방향으로 연장된 형태의 관통홀(121)이 형성되어 있다. 상기 관통홀(121)의 내부로 가이드 부(130)가 삽입되고, 가이드 부(130)는 관통홀(121)의 연장방향을 따라 왕복 이동할 수 있도록 구성된다.

도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 지그 프레스 장치에서, 가압 플레이트(120)에 대한 모식도가 도시되어 있다. 관통홀(121)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 직사각형의 형상을 가질 수도 있고, 도 6과 같이 십자형의 형상을 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 지그 프레스 장치는, 배터리 셀의 상부 면을 가압하기 위한 지그가 가이드 부에 의해 이동 가능하도록 구성함으로써, 분리막 찢김 또는 분리막 접힘에 의한 불량이 예상되는 영역으로 지그를 이동시켜, 불량 가능 부위를 효과적으로 가압하므로, 배터리 셀의 생산 공정에서 발생할 수 있는 불량 셀을 보다 정확하게 검출할 수 있다. 또한 지그의 소재로써 천연 고무 또는 합성 고분자 소재를 적용하여, 배터리 셀을 밀착하여 보다 높은 압력으로 가압할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 본 발명의 지그 프레스 장치는 가압 전/중/후의 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함할 수 있다. 가압 전/중/후 측정된 전압을 비교하여, 전압 강하가 관찰된 셀은 불량 셀로 선별할 수 있게 된다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 과정들을 상온에서 수행할 수 있다. 종래에도 배터리 셀의 생산 공정 중, 디개싱 공정의 전/후에 측정된 전압을 비교해 전압 강하가 있는 전지를 불량으로 선별하는 방법이 이용되어 왔다. 그러나, 디개싱 이후 측정된 전압은 통상 상온 보다 높은 온도에서 측정되기 때문에 실제의 전압보다 높은 수치로 측정되는 전압 헌팅 현상에 의해 그 정확도가 떨어지므로, 이 같은 방법으로 불량 셀을 선별하는 데에는 한계가 있었다.

본 발명의 지그 프레스 장치를 사용하여, 상온에서 프레스 전/중/후로 측정된 전압을 비교하여 전압 강하 여부 및 그 정도에 의해 불량 셀을 선별할 수 있다.

가압 시간은 1초 내지 60초일 수 있고, 더욱 바람직하게는 5초 내지 40초,가장 바람직하게는 10초 내지 30초이다. 가압 시간이 너무 짧을 경우에는 불량 여부를 검출하기에 충분한 전압 강하가 일어나지 않을 수 있고, 가압 시간이 너무 길 경우에는 불량의 검출에 소요되는 시간이 늘어나므로, 생산성 면에서 바람직하지 않다.

이하 본 발명을 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.

<비교예>

양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 전극조립체를 PET/Al/PE의 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 삽입하고, 전해액을 주입한 후 실링하여 배터리 셀을 제작하였다. 이후 배터리 셀의 활성화 공정을 거쳐 배터리 셀의 제조를 완료하였다. 전압 강하량이 3mV 이하로써 정상 셀로 분류되는 10개의 셀을 선별하였다.

<실시예>

비교예에서 정상 셀로 분류된 배터리 셀에 대하여, 도 3에 도시된 본 발명의 지그 프레스 장치에 장착하고, 전압을 측정하였다(V1). 얻어진 배터리 셀을 이후 상온에서 2000kgf의 압력으로 20초간 배터리 셀을 가압하였다. 이때 분리막 접힘이 예상되는 배터리 셀의 측면부위로 지그를 이동시켜 가압하였다. 가압이 완료된 후 전압을 측정하였다(V2). 10개의 배터리 셀에 대해 동일한 작업을 수행하고, 각각의 배터리 셀의 V1, V2 및 전압 강하량(V1-V2)을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 그리고 전압 강하량이 3mV 이상인 것을 불량으로 판정하였다.

	V1(V)	V2(V)	ΔOCV(mV,V1-V2)	비고
1	3.55664	3.55573	0.91	불량
2	3.56988	3.56984	0.04
3	3.56859	3.56864	-0.05
4	3.56964	3.56967	-0.03
5	3.56945	3.56956	-0.11
6	3.56874	3.56841	0.33	불량
7	3.56599	3.56501	0.98	불량
8	3.56948	3.56948	0.00
9	3.56924	3.56930	-0.06
10	3.57041	3.57037	0.04

<실험예> 분리막 접힘 확인

비교예 및 실시예의 배터리 셀 10개를 모두 분해하여, 분리막 접힘이 있는지 여부를 확인하였다. 그 결과 실시예에 따라 불량으로 판정된 1, 6, 7 번의 배터리 셀에서 분리막 일자 접힘이 있는 것을 확인하였다.

위와 같이 본 발명의 지그 프레스 장치 및 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법은 종래 선별 공정에서 검출하지 못한 불량 셀을 검출하는 효과가 있는 것을 알 수 있다.

Claims

배터리 셀이 안착되는 베이스 플레이트;
상기 베이트 플레이트의 상부에 승강 가능하도록 설치되고, 관통홀이 형성되어 있는 가압 플레이트;
상기 가압 플레이트의 관통홀을 따라 수평 이동하는 가이드 부; 및
상기 가압 플레이트의 가압 하단면 상에 위치하고, 상기 가이드 부와 연동되어 목적하는 가압 부위로 이동한 후, 배터리 셀의 상면을 가압하는 지그; 를 포함하는 지그 프레스 장치.
제 1 항에 있어서,
가압 전/중/후의 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지그 프레스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 관통홀은 가압 플레이트의 정중앙에 일자로 연장된 형태인 것을 특징으로 하는 지그 프레스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 관통홀은 가압 플레이트의 정중앙에 십자로 연장된 형태인 것을 특징으로 하는 지그 프레스 장치
제 1 항에 있어서,
상기 지그는 천연 고부 또는 합성 고분자 소재로 이루어져 있으며, 가이드부와 접하는 부위에 접착제에 의해 부착되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 지그 프레스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 지그는 배터리 셀의 평면 면적의 10~30%인 것을 특징으로 하는 지그 프레스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 지그는 1mm 내지 5mm 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 지그 프레스 장치.
제 1 항에 있어서,
가압 부위는 배터리 셀의 분리막 찢김 또는 분리막 접힘의 발생이 예상되는 부위인 것을 특징으로 하는 지그 프레스 장치.
제 1 항에 따른 지그 프레스 장치를 사용하여 분리막 찢김 또는 분리막 접힘에 의한 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법으로서,
지그 프레스 장치 상에 배터리 셀을 위치시킨 후 전압(V1)을 측정하는 과정;
상기 지그 프레스 장치의 가이드 부를 이용해 지그를 분리막 찢김 또는 분리막 접힘의 발생이 예상되는 부위로 이동시키는 과정;
가압하는 과정;
전압(V2)을 측정하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상온에서 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법.
제 9 항에 있어서,
가압 시의 압력은 1000 ~ 3000 kgf인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 ΔOCV(V1-V2)가 3mV 이상인 것을 불량으로 판정하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 불량 유무를 선별하는 방법.