KR20210038237A - 파우치 형 이차 전지 제조 방법 - Google Patents

파우치 형 이차 전지 제조 방법 Download PDF

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KR20210038237A
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주식회사 엘지화학
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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지 제조 방법은 파우치 필름을 성형하여, 수용 공간이 마련된 컵부를 하부 케이스에 함몰 형성함으로써 전지 케이스를 제조하는 단계; 상기 컵부가 제1 경사각의 경사를 가지도록, 상기 전지 케이스를 배치하는 단계; 전극 및 분리막이 적층되어 형성된 전극 조립체를, 상기 컵부에 수납하는 단계; 상기 컵부를 상부 케이스로 커버하고 실링부를 실링하는 단계를 포함한다.

Description

파우치 형 이차 전지 제조 방법{The Method For Manufacturing Pouch Type Secondary Battery}
본 발명은 파우치 형 이차 전지 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 조립체가 컵부에 수납될 때 안착 불량이 발생하여, 일측이 가압되어 전극이 파손되거나, 컵부 내 압력이 불균등하여 실링부의 일부분이 빠르게 벤팅되는 것을 방지하는 파우치 형 이차 전지 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
전극 조립체를 제조하기 위해, 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)을 제조하고, 이들을 적층한다. 구체적으로, 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체에 도포하고, 음극 활물질 슬러리를 음극 집전체에 도포하여 양극(Cathode)과 음극(Anode)을 제조한다. 그리고 상기 제조된 양극 및 음극의 사이에 분리막(Separator)이 개재되어 적층되면 단위 셀(Unit Cell)들이 형성되고, 단위 셀들이 서로 적층됨으로써, 전극 조립체가 형성된다. 그리고 이러한 전극 조립체가 특정 케이스에 수용되고 전해액을 주입하면 이차 전지가 제조된다.
이러한 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 유연한 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.
파우치 형 전지 케이스는, 유연성을 가지는 파우치 필름에 드로잉(Drawing) 성형을 하여, 컵부를 형성함으로써 제조된다. 이러한 드로잉 성형은 프레스에 파우치 필름을 삽입하고 펀치로 파우치 필름에 압력을 인가하여, 파우치 필름을 연신시킴으로써 수행된다. 그리고 컵부가 형성되면, 상기 컵부의 수용 공간에 전극 조립체를 수납하고 전지 케이스를 폴딩한 후 실링부를 실링하여 이차 전지를 제조한다.
종래에는 컵부의 바닥부가 지면과 평행하게 배치된 상태에서, 전극 조립체를 수납하였다. 그런데, 전극 조립체를 수납할 때 전극 조립체가 정위치에서 이탈하거나, 전극 조립체를 수납할 때에는 정위치에 수납되더라도 다음 공정을 위해 이동하는 도중에 정위치에서 이탈하는 등 안착 불량이 발생할 수 있었다. 그러면, 일측이 컵부의 외벽으로부터 가압되어 전극이 파손되는 문제가 있었다. 또한, 전지 케이스의 컵부 내에 기체가 발생하면 압력이 불균등하므로 케이스의 파손, 보호회로의 조기 작동 등의 문제가 더욱 빠르게 발생할 수도 있다.
또한, 이를 해결하기 위해서는, 전지 케이스를 폴딩하기 전에 전극 조립체를 다시 정위치로 위치시키는 별도의 작업을 더 수행해야 하므로, 작업이 번거로워지는 문제가 있었다.
한국 특허공개공보 제2017-0027976호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 조립체가 컵부에 수납될 때 안착 불량이 발생하여, 일측이 가압되어 전극이 파손되거나, 컵부 내 압력이 불균등하여 일측 실링부가 빠르게 벤팅되는 것을 방지하는 파우치 형 전지 케이스 및 파우치 형 이차 전지를 제공하는 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 파우치 형 이차 전지 제조 방법은 파우치 필름을 성형하여, 수용 공간이 마련된 컵부를 하부 케이스에 함몰 형성함으로써 전지 케이스를 제조하는 단계; 상기 컵부가 제1 경사각의 경사를 가지도록, 상기 전지 케이스를 배치하는 단계; 전극 및 분리막이 적층되어 형성된 전극 조립체를, 상기 컵부에 수납하는 단계; 상기 컵부를 상부 케이스로 커버하고 실링부를 실링하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 전지 케이스를 배치하는 단계에 있어서, 상기 전지 케이스는, 경사를 가지는 테이블의 상면에 안착될 수 있다.
또한, 경사를 가지는 상기 테이블의 상면이 평평하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 전지 케이스를 배치하는 단계에 있어서, 상기 전지 케이스는, 경사를 가지는 테이블의 상면으로부터 내측으로 함몰되어 형성된 안착 공간에 안착될 수 있다.
또한, 상기 안착 공간은, 상기 컵부의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 경사각의 크기는, 15 내지 60° 일 수 있다.
또한, 상기 전지 케이스를 제조하는 단계에 있어서, 상기 컵부는, 하향으로 경사진 일측에 형성된 제1 외벽; 상기 제1 외벽과 마주보며, 상향으로 경사진 타측에 형성된 제2 외벽; 상기 제1 외벽과 상기 제2 외벽의 하단을 연결하는 바닥부를 포함하고, 상기 제1 외벽은, 상기 바닥부와 제2 경사각의 경사를 가지며, 상기 제2 외벽은, 상기 바닥부와 제3 경사각의 경사를 가질 수 있다.
또한, 상기 제2 경사각과 상기 제3 경사각은, 서로 동일할 수 있다.
또한, 상기 제2 경사각과 상기 제3 경사각은, 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 제2 경사각이, 상기 제3 경사각보다 클 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체를 상기 컵부에 수납하는 단계 이후 및 상기 실링부를 실링하는 단계 이전에, 상기 컵부가 경사를 가지지 않도록, 상기 전지 케이스를 재배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
전극 조립체가 컵부에 수납될 때 안착 불량이 발생하지 않음으로써, 일측이 가압되어 전극이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전극 조립체와 컵부의 외벽들 사이의 공간이 일정하므로, 컵부 내에 기체가 발생하더라도 압력이 균등하여, 케이스의 파손, 보호회로의 조기 작동 등의 문제가 빠르게 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 조립도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 3은 종래의 전지 케이스에 전극 조립체를 수납한 모습을 나타낸 평면도이다.
도 4는 종래의 전지 케이스에 전극 조립체를 수납한 모습을 도 1의 A-A'으로 절단한 단면 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스에 전극 조립체를 수납한 모습을 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스에 전극 조립체를 수납한 모습을 도 1의 A-A'으로 절단한 단면 확대도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스를 폴딩하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하는 모습을 나타낸 개략도이다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 조립도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 양극, 음극 등의 전극(101, 도 7에 도시됨) 및 분리막(102, 도 7에 도시됨)이 적층되어 형성되는 전극 조립체(10) 및 상기 전극 조립체(10)를 내부에 수용하는 파우치 형의 전지 케이스(13)를 포함한다.
파우치 형 이차 전지(1)를 제조하기 위해, 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극 등의 전극(101)을 제조한다. 이를 분리막(Separator, 102)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(10)를 형성한 다음에, 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 삽입하고 전해액 주입 후 실링한다.
구체적으로, 전극 조립체(Electrode Assembly, 10)는 양극 및 음극 두 종류의 전극(101)과, 전극(101)들을 상호 절연시키기 위해 전극(101)들 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극(101)의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막(102)을 구비한 적층 구조체일 수 있다. 상기 적층 구조체는 소정 규격의 양극과 음극이 분리막(102)을 사이에 두고 적층될 수도 있고, 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취될 수 있는 등 제한되지 않고 다양한 형태일 수 있다. 두 종류의 전극(101), 즉 양극과 음극은 각각 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 전극 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조이다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 용매는 후속 공정에서 제거된다.
전극 조립체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(10)의 전극 집전체는 전극 활물질이 도포된 부분과 전극 활물질이 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 전지 케이스(13)의 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)가 열 융착되는 실링부(134)에 한정되어 위치하여, 전극 리드(12)를 전지 케이스(13)에 접착시킨다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(13)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
전극 리드(12)는 양극 탭(111)에 일단이 연결되고, 양극 탭(111)이 돌출된 방향으로 연장되는 양극 리드(121) 및 음극 탭(112)에 일단이 연결되고, 음극 탭(112)이 돌출된 방향으로 연장되는 음극 리드(122)를 포함한다. 한편, 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 도 1에 도시된 바와 같이, 모두 타단이 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된다. 그럼으로써, 전극 조립체(10)의 내부에서 생성된 전기를 외부로 공급할 수 있다. 또한, 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)이 각각 다양한 방향을 향해 돌출 형성되므로, 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)도 각각 다양한 방향을 향해 연장될 수 있다.
양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 집전체와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 집전체와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
전지 케이스(13)는 유연성을 가지는 재질로 제조된 파우치이다. 이하, 전지 케이스(13)는 파우치인 것으로 설명한다. 펀치 등을 이용하여 유연성을 가지는 파우치 필름(135)을 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(1333)을 포함하는 컵부(133)가 형성됨으로써, 전지 케이스(13)가 제조된다. 전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)를 포함한다. 하부 케이스(132)에는 컵부(133)가 형성되어 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(1333)이 마련되고, 상부 케이스(131)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(1333)을 상부에서 커버한다. 그리고 실링부(134)가 실링됨으로써 상기 수용 공간(1333)을 밀폐한다. 이 때, 상부 케이스(131)에도 수용 공간(1333)이 마련된 컵부(133)가 형성되어, 전극 조립체(10)를 상부에서 수용할 수도 있다. 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)는 도 1에 도시된 바와 같이 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 하부 케이스(132)의 컵부(133)에 마련된 수용 공간(1333)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 케이스(131)가 상기 공간을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)의 테두리에 형성된 실링부(134)를 실링한다. 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 실링부(134)는 일측으로 절곡한다. 전해액은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해, 파우치 형 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
도 3은 종래의 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)를 수납한 모습을 나타낸 평면도이고, 도 4는 종래의 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)를 수납한 모습을 도 1의 A-A'으로 절단한 단면 확대도이다.
종래에는 컵부(133)의 바닥부(1334, 도 5에 도시됨)가 지면과 평행하게 배치된 상태에서, 전극 조립체(10)를 수납하였다. 그런데 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)를 수납할 때 전극 조립체(10)가 정위치에서 이탈할 수 있었다. 또는, 전극 조립체(10)를 수납할 때에는 정위치에 수납되더라도 다음 공정을 위해 이동하는 도중에 정위치에서 이탈하는 안착 불량이 발생할 수 있었다. 여기서 정위치에서 이탈한다는 것은, 전극 조립체(10)가 정위치에 위치하지 않고 회전하여 위치하는 것을 지칭하며, 여기서 회전 방향은 지면에 평행한 방향, 지면에 수직한 방향 등 제한되지 않고 다양한 방향을 포함한다.
이처럼 안착 불량이 발생하면, 전극 조립체(10)의 일측이 컵부(133)의 외벽으로부터 강하게 가압될 수 있다. 그런데, 전극 조립체(10)에 적층된 양극, 음극 등의 전극(101a) 및 분리막(102a)의 크기가 모두 상이하므로, 상하 방향으로 가압되는 것보다 측방향으로 가압되는 것에 취약하다. 따라서, 전극 조립체(10)의 일측이 컵부(133)의 외벽으로부터 측방향으로 가압되면, 가장 크기가 큰 분리막(102a)이 먼저 상측으로 벤딩되고, 전극 조립체(10)가 더욱 가압되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 전극(101a)도 상측으로 벤딩되었다. 그러나, 분리막(102a)은 유연성이 우수한 반면, 전극(101a)은 금속으로 제조되어 유연성이 우수하지 않으므로, 전극(101a)이 벤딩된 상태가 지속되면서, 전극(101a)이 파손되는 문제가 있었다.
한편, 이차 전지(1)는 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의해 기체가 발생할 수 있다. 또는 고온에서 보관하거나 저장하는 경우, 높은 온도가 전해질 및 전극 활물질의 전기화학적 반응을 빠르게 촉진하여 기체가 발생할 수 있다. 이 때, 상기 발생한 기체는 이차 전지(1)의 내부 압력을 상승시켜 부품간의 결합력 약화, 케이스의 파손, 보호회로의 조기 작동, 전극의 변형, 내부 단락, 폭발 등의 문제를 발생시킨다.
그런데 안착 불량이 발생하면 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 둘레면과 컵부(133)의 외벽들 사이의 공간이 일정하지 않다. 따라서, 전지 케이스(13)의 컵부(133) 내에 기체가 발생하여 상기 공간에 포집되더라도, 압력이 불균등하므로 케이스의 파손, 보호회로의 조기 작동 등의 문제가 더욱 빠르게 발생할 수도 있었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 수납하는 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 조립체(10)가 컵부(133)에 수납될 때 안착 불량이 발생하지 않음으로써, 일측이 가압되어 전극(101)이 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전극 조립체(10)와 컵부(133)의 외벽들 사이의 공간이 일정하므로, 컵부(133) 내에 기체가 발생하더라도 압력이 균등하여, 케이스의 파손, 보호회로의 조기 작동 등의 문제가 빠르게 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1) 제조 방법은 파우치 필름(135)을 성형하여, 수용 공간(1333)이 마련된 컵부(133)를 하부 케이스(132)에 함몰 형성함으로써 전지 케이스(13)를 제조하는 단계; 상기 컵부(133)가 제1 경사각(θ1)의 경사를 가지도록, 상기 전지 케이스(13)를 배치하는 단계; 전극 (101)및 분리막(102)이 적층되어 형성된 전극 조립체(10)를, 상기 컵부(133)에 수납하는 단계; 상기 컵부(133)를 상부 케이스(131)로 커버하고 실링부(134)를 실링하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 먼저 파우치 필름(135)을 드로잉(Drawing) 성형하여, 하부 케이스(132)에 컵부(133)를 함몰 형성한다. 즉, 파우치 필름(135)을 연신시켜 컵부(133)를 형성함으로써 제조된다. 이러한 파우치 필름(135)은 주로 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리머로 제조되는 가스 배리어층(Gas Barrier Layer), 주로 알루미늄 박막(Al Foil)으로 제조되는 표면 보호층(Surface Protection Layer) 및 주로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리머로 제조되는 실란트층(Sealant Layer, 2353)을 적층하여 형성한다.
먼저, 파우치 필름(135)을 다이의 상면에 안착시킨다. 다이는 성형 공간이 상면으로부터 내측으로 함몰 형성되며, 파우치 필름(135)이 이러한 성형 공간의 개방단을 커버한다. 그리고, 다이의 상방에 배치된 펀치가 하강하여, 파우치 필름(135)을 연신시키며 상기 성형 공간으로 삽입된다. 그럼으로써, 파우치 필름(135)에 컵부(133)가 함몰 형성됨으로써, 전지 케이스(13)가 제조된다. 만약, 파우치 필름(135)에서 상부 케이스(131)에도 컵부(133)가 형성된다면, 상기 성형 공간은 두 개로 나란히 형성될 수 있다. 그리고, 상기 두 개의 성형 공간에 모두 펀치가 삽입되면서 파우치 필름(135)을 연신시켜, 하부 케이스(132) 및 상부 케이스(131)에 각각 하나씩 컵부(133)가 함몰 형성될 수 있다.
상기 형성된 컵부(133)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 외벽(1331), 제2 외벽(1332) 및 바닥부(1334)를 포함한다. 제1 외벽(1331)은 하향으로 경사진 컵부(133)의 일측에 형성되며, 실링부(134)를 향해 형성되는 외벽을 지칭할 수 있다. 그리고 제2 외벽(1332)은 제1 외벽(1331)과 마주보며, 상향으로 경사진 컵부(133)의 타측에 형성된다. 만약 하부 케이스(132) 및 상부 케이스(131)에 모두 컵부(133)가 형성된다면, 도 5에 도시된 바와 같이 두 컵부(133)의 사이에 브릿지(136)가 형성될 수 있다. 이 때 제2 외벽(1332)은, 컵부(133)에서 상기 브릿지(136)를 향해 형성되는 외벽을 지칭할 수 있다.
바닥부(1334)는 이러한 제1 외벽(1331)과 제2 외벽(1332)의 하단을 연결한다. 따라서, 제1 외벽(1331) 및 제2 외벽(1332)은 수용 공간(1333)의 측방을 포위하고 바닥부(1334)는 수용 공간(1333)의 하방을 포위하여, 전극 조립체(10)가 외부로 이탈하지 않도록 지지한다.
컵부(133)의 제1 외벽(1331)은 바닥부(1334)와 제2 경사각(θ2)의 경사를 가지고, 제2 외벽(1332)은 바닥부(1334)와 제3 경사각(θ3)의 경사를 가질 수 있다. 만약, 제1 외벽(1331) 및 제2 외벽(1332)이 바닥부(1334)와 수직으로 형성된다면, 전지 케이스(13)의 컵부(133) 내에 기체가 발생할 때 전극 조립체(10)의 외부로 배출될 수 없다. 따라서, 전극 조립체(10) 내에 기체가 잔존하여, 전극 조립체(10)가 부풀어 오르는 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수도 있다. 또한, 펀치로 파우치 필름(135)을 연신시켜 컵부(133)를 형성한 후, 펀치가 상기 컵부(133)의 제1 외벽(1331) 및 제2 외벽(1332)에 의해 고정되어, 컵부(133)로부터 용이하게 이탈하지 않는 문제가 발생할 수도 있다.
따라서, 컵부(133)의 제1 외벽(1331) 및 제2 외벽(1332)이, 바닥부(1334)와 각각 경사를 형성함으로써, 파우치 필름(135)의 성형 후 펀치가 컵부(133)로부터 용이하게 이탈할 수 있고, 전지 케이스(13)의 컵부(133) 내에 기체가 포집되는 공간이 마련되어, 기체가 전극 조립체(10)의 외부로 배출됨으로써 스웰링 현상을 방지할 수 있다.
한편, 이러한 제2 경사각(θ2)과 제3 경사각(θ3)은 서로 동일할 수 있으나, 서로 상이할 수도 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
컵부(133)를 형성한 후, 전지 케이스(13)의 컵부(133)가 제1 경사각(θ1)의 경사를 가지도록, 전지 케이스(13)를 기울여 배치한다. 이를 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 경사를 가지는 테이블(2)을 마련하고, 이러한 테이블(2)의 상면에 상기 전지 케이스(13)를 안착시킬 수 있다. 이러한 테이블(2)의 상면은 요철이 없도록 평평하게 형성됨으로써, 전지 케이스(13)가 테이블(2)의 상면 전체에 안정적으로 안착될 수 있다.
한편, 수평을 유지하는 테이블(2)의 상면에 먼저 전지 케이스(13)를 안착시킨 후에, 상기 테이블(2)을 기울일 수도 있다. 즉, 컵부(133)가 경사를 가지도록 전지 케이스(13)를 배치할 수 있다면, 제한되지 않고 다양한 방법을 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)를 수납한 모습을 나타낸 평면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)를 수납한 모습을 도 1의 A-A'으로 절단한 단면 확대도이다.
컵부(133)가 경사를 가지도록 전지 케이스(13)가 배치되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)를 상기 경사를 가지는 컵부(133)에 수납한다. 그러면 전극 조립체(10)에 중력 및 수직항력이 작용하나, 중력과 수직항력 사이에 각도의 차이가 발생하므로, 전극 조립체(10)를 컵부(133) 내에서 슬립시키는 슬립력이 작용한다. 이러한 각도의 차이는 제1 경사각(θ1)의 크기와 동일하다. 그럼으로써, 전극 조립체(10)가 정위치에서 이탈하는 안착 불량이 발생하더라도, 슬립력이 컵부(133)의 경사진 하향 방향으로 전극 조립체(10)를 슬립시켜, 상기 안착 불량을 해소하고, 전극 조립체(10)가 컵부(133)에 안정적으로 수납될 수 있다.
전극 조립체(10)가 컵부(133)에 수납되면 도 6에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)는 바닥부(1334)와 동일한 경사를 가지며 컵부(133)에 수납된다. 따라서 전극 조립체(10)는 처음부터 일측으로 편향되어 안정적으로 안착되므로, 컵부(133)에 수납될 때, 또는 다음 공정을 위해 이동할 때 정위치에서 이탈하지 않을 수 있다.
다만, 전극 조립체(10)가 슬립력에 의해 슬립되어, 여전히 전극 조립체(10)의 일측이 컵부(133)의 외벽으로부터 측방향으로 가압되는 문제가 발생할 수도 있다. 그러나 종래에는 전극 조립체(10)에 가압되는 영역이 특정한 일부, 특히 전극 조립체(10)의 코너로 한정되므로, 외벽으로부터 가압되는 압력이 집중된다. 따라서, 전극(101a)이 파손될 가능성이 상당히 높았다.
반면에 종래와는 달리 본 발명의 일 실시예에 따르면 도 6에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 일면이 전체적으로 균일하게 가압되므로, 압력이 분산된다. 나아가, 제1 외벽(1331) 및 제2 외벽(1332)은 바닥부(1334)와 경사를 가지므로, 도 7에 도시된 바와 같이, 컵부(133)의 외벽이 전극 조립체(10)에 가압하는 압력이 더욱 감소할 수 있다. 따라서, 전극(101)이 파손되는 문제를 방지할 수 있다.
상기 슬립력은 전지 케이스(13)에 작용하는 중력에, 전지 케이스(13)가 기울어진 경사의 제1 경사각(θ1)의 사인(Sine)값을 곱한 값이다. 그리고 사인(Sine)값은 각도가 0°에 가까울수록 감소하고, 직각에 가까울수록 증가한다. 따라서, 컵부(133)가 가지는 경사의 제1 경사각(θ1)의 크기는, 15 내지 60°인 것이 바람직하다. 만약 상기 제1 경사각(θ1)이 15°보다 작다면, 상기 슬립력이, 전극 조립체(10)의 저면과 컵부(133)의 바닥부(1334) 사이의 마찰력보다 크지 않으므로, 전극 조립체(10)가 슬립되지 않고 여전히 안착 불량이 발생할 수 있다. 또한, 상기 경사가 60°보다 크다면, 전극 조립체(10)의 일측이 컵부(133)의 외벽으로 가압되는 압력이 증가하므로, 전극(101)이 파손될 수도 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 제1 경사각(θ1)의 크기가 30 내지 45°일 수 있다. 다만, 만약 전극 조립체(10)의 무게가 가볍고, 전극 조립체(10)의 일측에 가압되는 압력을 최소화 하도록 전극 조립체(10)를 컵부(33)에 매우 조심스럽게 안착시킨다면, 상기 제1 경사각(θ1)의 크기가 60°보다 클 수도 있다. 이 때, 제1 경사각(θ1)의 크기는, 60 내지 90°일 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)를 폴딩하는 모습을 나타낸 개략도이다.
전극 조립체(10)를 컵부(133)에 수납하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 하부 케이스(132)에 형성된 컵부(133)를 상부 케이스(131)로 커버할 수 있다. 그리고 실링부(134)를 실링함으로써, 이차 전지(1)를 제조할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 실링부(134)를 실링하기 전에 컵부(133)가 다시 경사를 가지지 않도록, 전지 케이스(13)를 재배치할 수도 있다. 그럼으로써 더 이상 전지 케이스(13)에 슬립력이 작용하지 않고, 오히려 컵부(133)의 외벽이 전극 조립체(10)에 미약하게 가압하던 압력이 전극 조립체(10)를 밀어내면서, 전극 조립체(10)가 정위치에 위치할 수도 있다.
한편, 상기 기술한 바와 같이 컵부(133)의 제1 외벽(1331)은 바닥부(1334)와 제2 경사각(θ2)의 경사를 가지고, 제2 외벽(1332)은 바닥부(1334)와 제3 경사각(θ3)의 경사를 가질 수 있다. 그리고 이러한 제2 경사각(θ2)과 제3 경사각(θ3)은 서로 동일할 수 있으나, 서로 상이할 수도 있다.
전극 조립체(10)의 일측이 컵부(133)에 수납되면 처음부터 일측으로 편향되므로, 컵부(133)의 외벽으로부터 가압될 수 있다. 그러나, 이러한 압력은 종래와 달리 크기가 크지 않고 미약하다. 따라서, 컵부(133)가 다시 경사를 가지지 않도록, 전지 케이스(13)를 재배치 하더라도, 전극 조립체(10)가 여전히 일측으로 편향되어 형성될 수 있다. 그러면, 전극 조립체(10)와 컵부(133)의 외벽들 사이에 기체가 포집되는 공간이 균일하지 않으므로, 전지 케이스(13)의 내부에서 기체가 발생하였을 때, 기체의 압력이 균등하지 않을 수 있다. 그러면, 불균등하므로 케이스의 파손, 보호회로의 조기 작동 등의 문제가 더욱 빠르게 발생할 수도 있다.
따라서, 제2 경사각(θ2)과 제3 경사각(θ3)은 서로 상이할 수 있다. 특히, 전극 조립체(10)는 제2 외벽(1332)보다 제1 외벽(1331)에 더욱 인접하여 위치할 수 있으므로, 제2 경사각(θ2)이 제3 경사각(θ3)보다 클 수 있다. 그럼으로써, 전극 조립체(10)와 제1 외벽(1331) 사이의 공간을 더욱 넓게 확보할 수 있고, 전극 조립체(10)와 컵부(133)의 외벽들 사이의 기체가 포집되는 공간이 균일하게 되어, 전지 케이스(13)의 파손, 보호회로의 조기 작동 등의 문제가 빠르게 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 수납하는 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 경사를 가지는 테이블(2)의 상면에 상기 전지 케이스(13)를 안착시킬 때, 테이블(2)의 상면은 평평하게 형성된다.
그러나 본 발명의 다른 실시예에 따르면 도 9에 도시된 바와 같이, 경사를 가지는 테이블(2a)의 상면이 내측으로 함몰되어 안착 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 이러한 안착 공간은 컵부(133)의 형상과 대응되는 형상을 가짐으로써, 컵부(133)가 안착 공간에 용이하게 안착될 수 있다. 여기서 대응되는 형상이란 모양이 동일하고, 크기는 컵부(133)가 안착 공간에 안착된 후에 위치가 변화하지 않을 정도로, 오프셋의 크기만큼의 차이가 있는 형상을 의미한다.
그럼으로써, 전극 조립체(10)가 컵부(133)에 수납된 후에, 슬립력에 의해 전극 조립체(10)가 컵부(133)의 외벽을 가압하더라도, 전지 케이스(13)는 테이블(2a)의 상면에서 슬립되지 않고, 안정적으로 고정될 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 2: 테이블
10: 전극 조립체 11: 전극 탭
12: 전극 리드 13: 전지 케이스
14: 절연부 101: 전극
102: 분리막 103: 분리막 시트
111: 양극 탭 112: 음극 탭
121: 양극 리드 122: 음극 리드
131: 상부 케이스 132: 하부 케이스
133: 컵부 134: 실링부
135: 파우치 필름 136: 브릿지
1331: 제1 외벽 1332: 제2 외벽
1333: 수용 공간 1334: 바닥부

Claims (11)

  1. 파우치 필름을 성형하여, 수용 공간이 마련된 컵부를 하부 케이스에 함몰 형성함으로써 전지 케이스를 제조하는 단계;
    상기 컵부가 제1 경사각의 경사를 가지도록, 상기 전지 케이스를 배치하는 단계;
    전극 및 분리막이 적층되어 형성된 전극 조립체를, 상기 컵부에 수납하는 단계;
    상기 컵부를 상부 케이스로 커버하고 실링부를 실링하는 단계를 포함하는 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스를 배치하는 단계에 있어서,
    상기 전지 케이스는,
    경사를 가지는 테이블의 상면에 안착되는 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    경사를 가지는 상기 테이블의 상면이 평평하게 형성되는 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스를 배치하는 단계에 있어서,
    상기 전지 케이스는,
    경사를 가지는 테이블의 상면으로부터 내측으로 함몰되어 형성된 안착 공간에 안착되는 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 안착 공간은,
    상기 컵부의 형상에 대응되는 형상을 가지는 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 경사각의 크기는,
    15 내지 60° 인 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스를 제조하는 단계에 있어서,
    상기 컵부는,
    하향으로 경사진 일측에 형성된 제1 외벽;
    상기 제1 외벽과 마주보며, 상향으로 경사진 타측에 형성된 제2 외벽;
    상기 제1 외벽과 상기 제2 외벽의 하단을 연결하는 바닥부를 포함하고,
    상기 제1 외벽은,
    상기 바닥부와 제2 경사각의 경사를 가지며,
    상기 제2 외벽은,
    상기 바닥부와 제3 경사각의 경사를 가지는 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 경사각과 상기 제3 경사각은,
    서로 동일한 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 경사각과 상기 제3 경사각은,
    서로 상이한 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 경사각이,
    상기 제3 경사각보다 큰 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체를 상기 컵부에 수납하는 단계 이후 및 상기 실링부를 실링하는 단계 이전에,
    상기 컵부가 경사를 가지지 않도록, 상기 전지 케이스를 재배치하는 단계를 더 포함하는 파우치 형 이차 전지 제조 방법.
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