KR20210048228A - 전극조립체의 변형을 억제하는 리튬 이차전지용 전지 케이스 - Google Patents

전극조립체의 변형을 억제하는 리튬 이차전지용 전지 케이스 Download PDF

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KR20210048228A
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Abstract

본 발명은, 외층/배리어층/내층 구조를 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 리튬 이차전지용 전지 케이스로서, 가스의 배출이 용이하거나, 상대적으로 팽창이 더 잘되는 영역인 제 1 영역; 및 상기 제 1 영역을 제외한 나머지 영역인 제 2 영역을 포함하며, 상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하지 않거나, 슬릿이 형성된 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스이다.
본 발명에 따른 전지케이스는, 가스 포켓부를 구성하는 라미네이트 시트의 일부 영역이, 가스 및 수분을 차단하는 배리어층을 포함하지 않거나, 배리어층에만 슬릿이 형성됨으로써, 상기 영역을 통해 전지 케이스 내부의 가스가 배출되기 용이하거나, 상기 영역 부위가 다른 부위에 비해 상대적으로 팽창성이 우수하여, 활성화 공정 중 발생하는 가스가 상기 영역으로 이동되므로, 내부 가스에 의해 전극조립체의 변형을 방지하는 효과가 있다.

Description

전극조립체의 변형을 억제하는 리튬 이차전지용 전지 케이스{Battery Case for Lithium Secondary Battery Suppressing the Distortion of the Electrode Assembly}
본 발명은, 리튬 이차전지용 전지 케이스에 관한 것으로서, 활성화 공정 중 전극조립체의 변형을 억제하기 위한 파우치형 타입의 전지 케이스에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌으며 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해액이 밀봉되어 있는 전지를 말한다. 전지 케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있다. 파우치형 이차전지는 라미네이트 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 시트와 분리되어 있는 별도의 시트 또는 그로부터 연장되어 있는 시트를 열융착하여 밀봉하는 것으로 제조된다.
도 1은 파우치형 이차전지의 라미네이트 시트의 단면도를 도시하고 있으며, 이를 참조하면 상기 라미네이트 시트(20)는, 외층(21), 배리어층(22) 및 내층(23)이 순차로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 외층(21)은 외부로부터 전지를 보호하는 기능을 하고, 상기 배리어층(22)은 가스, 수분 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능과 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 가지고 있으며, 상기 내층(23)은 전지 케이스의 밀봉 시, 열융착이 가능하도록 하는 기능을 가지고 있다.
도 2는 라미네이트 시트의 파우치에 전극조립체를 수납하고, 밀봉 공정을 완료한 종래의 전지셀의 정면도이고, 도 3은 도 2의 전지셀의 측면도이다. 이들 도면을 참조하면, 전지 케이스(10)는 전극조립체(1)가 수납되는 수납부(11), 라미네이트 시트를 열융착하여 형성된 실링부(13), 수납부 외의 여유 공간으로서, 활성화 공정 시 발생하는 가스의 포집이 가능한 가스 포켓부(12)를 포함하고 있다. 그런데, 활성화 공정 중에는 도 3과 같이 내부 가스가 발생하게 되는데, 전지 케이스를 구성하는 라미네이트 시트의 배리어층은 가스, 수분 등이 투과하기 어렵고, 팽창률이 작기 때문에, 전지 케이스 내에 포집된 가스에 의해 전극조립체의 팽창 또는 변형을 일으키는 문제가 있었다. 활성화 공정 후 가스 포켓을 천공하여 내부 가스를 배출시키는 탈기 공정을 수행하기는 하지만, 상기 탈기 공정을 수행하기 이전까지 발생한 내부 가스는, 전지 케이스 내에서 상기와 같은 문제를 일으키는 것이다.
또한 활성화 공정 중의 전지셀을 이송하기 위해, 집게와 같은 이송부재를 이용해 전지셀을 픽업(pick-up)해야 하는데, 전지 케이스 내부가 가스에 의해 팽윤되면, 도 3과 같이 집게를 이용해 전지셀을 픽업하는 데에 공정상 어려움이 있었다.
이에 활성화 공정 중 발생하는 가스에 의해 유발되는 전극조립체의 변형을 억제하면서도, 후속 공정을 위해 전지셀의 이송을 용이하게 하는 전지 케이스에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.
(한국등록특허) 제10-1143302호 (국제공개특허) 제2014-123183호
본 발명은, 활성화 공정 중 발생한 가스가 탈기 공정 이전에 전극조립체를 변형하는 현상을 억제할 수 있는 전지 케이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 활성화 공정 중 발생한 가스가 배출되기 용이하거나, 가스 포켓부가 팽창되게 함으로써, 이송 부재에 의해 픽업이 용이한 형태의 전지셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전지 케이스는, 외층/배리어층/내층 구조를 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 리튬 이차전지용 전지 케이스로서, 가스의 배출이 용이하거나, 상대적으로 팽창이 더 잘되는 영역인 제 1 영역; 및 상기 제 1 영역을 제외한 나머지 영역인 제 2 영역을 포함하며, 상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하지 않거나, 슬릿이 형성된 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스는, 전극조립체가 수납되는 수납부; 및 활성화 공정 중 발생되는 가스가 포집되는 가스 포켓부를 포함하고, 상기 제 1 영역이 가스 포켓부에 형성되어 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 배리어층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 슬릿이 형성된 배리어층을 포함한다.
본 발명의 일 시시예에서, 상기 제 1 영역은, 상기 가스 포켓부의 일측 단부가 수납부와 만나는 경계로부터, 상기 가스 포켓부의 타측 단부까지의 사이에 형성되어 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 외층은 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌(PP) 및 싸이클릭 올레핀 코폴리머(COC)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상이고, 바람직하게는, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 이축 배향 폴리프로필렌(BOPP) 및 싸이클릭 올레핀 코폴리머(COC)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 내층은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 영역의 내층 및 외층은 슬릿이 형성되어 있지 않다.
본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은, 상기 전지 케이스에 전극 조립체를 수납하고 전해액을 주입하는 단계; 및 상기 전지 케이스를 실링 또는 가실링한 상태에서, 활성화 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은, 상기 활성화 공정 이후에 상기 가스 포켓부에 하나 이상의 관통홀을 천공하여 내부 가스를 배출하는 탈기 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전지케이스는, 가스 포켓부를 구성하는 라미네이트 시트의 일부 영역이, 가스 및 수분을 차단하는 배리어층을 포함하지 않거나, 배리어층에만 슬릿이 형성됨으로써, 상기 영역을 통해 전지 케이스 내부의 가스가 배출되기 용이하거나, 상기 영역 부위가 다른 부위에 비해 상대적으로 팽창성이 우수하여, 활성화 공정 중 발생하는 가스가 상기 영역으로 이동되므로, 내부 가스에 의해 전극조립체의 변형을 방지하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 전지케이스는, 활성화 공정 중 발생한 가스가 배출됨으로써, 활성화 공정 중 가스 포켓부가 내부 가스에 의한 팽윤 정도가 감소되어, 이송 부재를 이용해 전지셀을 픽업하기 용이하므로, 공정 상 작업 능률을 향상시키는 효과도 있다.
도 1은 파우치형 이차전지의 케이스를 구성하는 일반적인 라미네이션 시트의 단면도이다.
도 2는 전극조립체를 종래의 전지케이스에 삽입하고, 전해액 주입 및 밀봉을 완료한 전지셀의 정면도이다.
도 3은 도 2의 전지셀의 측면도로서, 활성화 공정 전/후를 나타내고 있다.
도 4는 도 2의 전지셀을 픽업하는 양태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전지 케이스에 전극조립체를 삽입하고, 전해액 주입 및 밀봉을 완료한 전지셀의 정면도이다.
도 6은 도 5의 전지셀의 측면도로서, 활성화 공정 전/후를 나타내고 있다.
도 7은 도 5의 전지셀을 픽업하는 양태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스에 전극조립체를 삽입하고 전해액 주입 및 밀봉을 완료한 전지셀의 측면도로서, 활성화 공정 전/후를 나타내고 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 케이스에 전극조립체를 삽입하고 전해액 주입 및 밀봉을 완료한 전지셀의 측면도로서, 활성화 공정 전/후를 나타내고 있다.
도 10 내지 12은, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전지 케이스를 나타낸 도면이다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명은, 외층/배리어층/내층 구조를 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 리튬 이차전지용 전지 케이스로서, 가스의 배출이 용이하거나, 상대적으로 팽창이 더 잘되는 영역인 제 1 영역; 및 상기 제 1 영역을 제외한 나머지 영역인 제 2 영역을 포함하며, 상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하지 않거나, 슬릿이 형성된 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스이다.
리튬 이차전지의 제조공정은, 전극조립체를 라미네이트 시트로 이루어진 전지 케이스에 삽입하고, 전해액을 주액한 후 밀봉해 활성화 공정을 수행하는 과정을 포함하고 있다. 활성화 공정 중에는 전해액과 전극의 화학 작용 및 부반응 등에 의해 다량의 가스가 발생하게 되는데, 이러한 가스는 탈기 공정의 별도 공정을 통해 배출되고 있다. 따라서 활성화 공정의 개시 후, 탈기 공정을 수행하기 전까지, 전지 케이스 내부에 내부 가스가 차오르게 되고 이는 전극조립체의 스웰링 또는 변형 문제를 일으키기도 한다. 이는 전지 케이스로 사용되는 라미네이트 시트가, 공기나 수증기가 투과하기 어려운 금속성 소재의 배리어층을 포함함에 따라 야기되는 것이다. 이에 따라, 활성화 공정 중 발생한 내부 가스는 상기 배리어층에 의해 외부로부터 차단되어 배출되지 못하고, 전지 케이스 내부에 모이면서, 전지 케이스는 풍선과 같이 부풀어 오르게 된다.
이에 본 발명은, 활성화 공정 중 발생하는 내부 가스가 배출되기 용이하거나, 내부 가스가 수납부가 아닌 가스 포켓부에 포집되기 용이한 구조가 되도록 하기 위해 안출된 것이다.
본 발명의 전지 케이스는, 그 일부 영역을 구성하는 라미네이트 시트가, 그 외 영역을 구성하는 라미네이트 시트와 다르게 배리어층을 포함하지 않거나, 슬릿이 형성되어 있는 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 통상적인 라미네이트 시트는 가스, 수분 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능과 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 부여하기 위해, 금속성 소재의 배리어층을 가지고 있으나, 이 같은 배리어층으로 인해, 활성화 공정 중 발생한 가스가 배출되지 못하고, 전지 케이스에 내부를 가득 채우게 되는바, 본 발명의 전지 케이스는, 일부 영역인 제 1 영역을, 가스의 배출이 용이하거나, 상대적으로 팽창이 잘되도록 하는 라미네이트 시트로 구성하고, 상기 제 1 영역을 제외한 나머지 영역인 제 2 영역을 통상적인 라미네이트 시트로 구성하는 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(100)의 정면도로서, 이를 참조하면, 전지 케이스(100)는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(1)가 수납되는 수납부(110)와, 상기 수납부의 상부에 배치되어 활성화 공정 중 발생한 가스가 포집되는 가스 포켓부(120)와, 전지 케이스 내부를 밀폐시키기 위한 실링부(130)를 포함하고 있으며, 상기 가스 포켓부(120)의 일부에 가스의 배출이 용이하거나, 상대적으로 팽창이 더 잘되는 영역인 제 1 영역(121)을 포함하고 있다. 상기 제 1 영역은 소정의 폭을 가지며, 전지 케이스의 실링부(130)와 평행한 방향으로 연장되어 있는 형태를 가질 수 있다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 제 1 영역의 형태를 나타내고 있다. 도 10을 참조하면, 가스 포켓부(120) 상에서 복수 개의 직사각형 형상을 가지는 제 1 영역이, 실링부(130)와 평행한 방향으로 일렬로 나열된 형태를 가질 수 있다.
상기 제 1 영역(121)은 수납부(110)가 가스 포켓부(120)의 일측 단부와 맞닿아 있는 경계로부터 상기 가스 포켓부의 타측 단부까지의 사이에 형성되는 것이 바람직하다. 이는 전극조립체가 수납되는 수납부에 전해액의 상당량이 수용되고, 수납부를 구성하는 라미네이트 시트에 배리어층이 없게 되면, 전해액이 누출될 수 있기 때문이다.
상기 제 1 영역이 차지하는 면적은, 라미네이트 시트를 구성하는 내/외층 소재의 공기 투과도 및 전극 조립체와 전해액의 화학적 특성에 따라 적절히 선택할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 영역이 차지하는 면적은, 가스 포켓부의 면적을 기준으로 5% 내지 50% 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 1 영역에서 가스의 배출을 용이하게 하거나, 상대적으로 팽창이 잘 되도록 하기 위해서, 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하지 않거나, 슬릿이 형성된 배리어층을 포함하고 있다. 배리어층을 포함하지 않는 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하는 라미네이트 시트와 비교해, 가스나 수분의 투과도가 우수하므로, 가스의 배출이 용이해지는 것이다. 배리어층에 슬릿이 형성된 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하고 있더라도, 배리어층의 슬릿을 통해 가스가 배출될 수 있으므로, 가스의 배출이 용이해진다.
제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트에 대해 상술한다. 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트의 제 1 실시양태는, 배리어층을 포함하지 않는 것이다. 상기 제 1 실시양태의 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하지 않는 점을 제외하고는, 통상적인 라미네이트 시트와 동일하다. 즉, 제 1 영역의 라미네이트 시트는, 통상적인 라미네이트 시트를 구성하는 외층 및 내층 소재로 구성될 수 있다.
상기 외층은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하기 위해 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구된다. 예를 들어, 나일론 등과 같은 폴리아마이드계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리스티렌 등의 폴리스트렌계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리염화비닐리덴계 수지 등이 사용될 수 있다. 이러한 소재는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 내층은, 전지 케이스의 가실링 또는 실링 시 열융착이 되도록 하는 기능을 한다. 상기 열융착은 100℃ 내지 200℃의 온도에서 이루어질 수 있으므로, 내층 소재는, 상기 온도 범위에서 융점을 가진 소재로 이루어져 있다. 또한 내층은 절연성을 담보하는 역할을 하므로, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮고, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않아야 한다. 이러한 내층 소재의 바람직한 예로는, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 아크릴산, 무연신 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리아마이드 이미드, 폴리이미드 및 이들의 혼합물 또는 공중합체 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
배리어층을 포함하지 않는 라미네이트 시트는, 외층 및 내층으로 구성되어 있고, 외층 및 내층의 소재는 위와 같은 고분자 소재이므로, 배리어층을 포함하는 라미네이트 시트와 비교해 팽창성이 좋아진다. 따라서, 활성화 공정 중 발생한 내부 가스는, 배리어층으로 인해 팽창되지 않는 수납부로부터 자연스럽게 팽창성이 좋은 제 1 영역으로 이동하게 된다.
한편, 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트에서 배리어층이 제거됨에 따라, 전지 케이스의 수분 차단 성능이 저하될 수 있으므로, 수분 차단 성능을 유지시키기 위해, 라미네이트 시트의 외층 소재를 선정함에 있어서, 기체는 잘 통과시키지만 수분은 차단하는 성질을 가지는 소재를 선택하는 것이 바람직하다. 이 같은 소재의 구체적 예로는, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 이축 배향 폴리프로필렌(BOPP) 및 싸이클릭 올레핀 코폴리머(COC)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상이다. 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트의 외층이 상기 고분자 소재로 이루어진 경우, 일반적인 외층 소재에 비해서 수분을 차단하는 성능이 우수하므로, 제 1 영역의 수분 차단 성능은 배리어층을 포함하는 라미네이트 시트와 유사하거나 조금 낮은 수준으로 유지될 수 있는 것이다.
한편, 상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트의 제 2 실시양태는, 슬릿이 형성된 배리어층을 포함하는 것이다. 이때 상기 슬릿은 배리어층에만 형성되어 있고, 외층 및 내층에는 슬릿이 형성되어 있지 않은 것이 바람직하다. 외층 및 내층에까지 슬릿이 형성되면, 활성화 공정 중 전해액이 누출되어 전지 성능에 부정적 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
도 11 내지 도 12는 상기 제 2 실시양태에 따른 전지 케이스가 도시되어 있다. 제 2 실시양태에 따른 배리어층의 슬릿은, 도 11과 같이 가스 포켓부(120) 중에 일직선의 형태로 형성될 수 있고, 도 12와 같이 십자 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 전지 케이스에서 제 2 영역을 이루는 라미네이트 시트에 대해서 설명한다. 본 발명에서 제 2 영역은, 상기 제 1 영역을 제외한 나머지 영역을 지칭하는 것이다. 제 2 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 제 1 영역의 라미네이트 시트와는 상이하며, 통상적인 라미네이트 시트를 사용할 수 있다.
통상적인 라미네이트 시트란, 외층/배리어층/내층 구조를 포함하는 것일 수 있다. 외층은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하기 위해 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구된다. 예를 들어, 나일론 등과 같은 폴리아마이드계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리스티렌 등의 폴리스트렌계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리염화비닐리덴계 수지 등이 사용될 수 있다. 이러한 소재는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 배리어층은, 가스 및 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지 케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있으며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다.
상기 내층은, 전지 케이스의 가실링 또는 실링 시 열융착이 되도록 하는 기능을 한다. 상기 열융착은 100℃ 내지 200℃의 온도에서 이루어질 수 있으므로, 내층 소재는, 상기 온도 범위에서 융점을 가진 소재로 이루어져 있다. 또한 내층은 절연성을 담보하는 역할을 하므로, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮고, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않아야 한다. 이러한 내층 소재의 바람직한 예로는, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 아크릴산, 무연신 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리아마이드 이미드, 폴리이미드 및 이들의 혼합물 또는 공중합체 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는, 금속과의 접착력이 낮으므로, 접착력을 향상시키기 위하여, 상기 내층에 대면하는 배리어층의 표면은 다수의 요철이 형성될 수 있도록 화학적 및/또는 물리적으로 처리될 수 있다. 이러한 요철은, 예를 들어 배리어층의 표면에 샌드 블라스팅이나 화학적 엣칭 등을 행하여 형성될 수 있으며, 더욱 넓은 표면적의 확보에 의한 접착력 향상을 기대할 수 있다. 요철의 크기는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 층 상호 간의 높은 결합력을 제공할 수 있도록 10 내지 100㎛의 크기인 것이 바람직하다.
상기 라미네이트 시트는 외층과 배리어층 사이 및/또는 배리어층과 내층 사이에 접착층을 추가로 포함하는 구조를 가질 수 있다. 접착층은 배리어층과 외층 및 배리어층과 내층 간의 접착력을 보완하는 역할을 한다.
상기 접착층으로는, 예들 들어 에폭시계, 페놀계, 멜라민계, 폴리이미드계, 폴리에스테르계, 우레탄계 등의 수지를 포함하는 접착제가 사용될 수 있고, (변성)폴리프로필렌 또는 (변성)폴리에틸렌 수지를 용융압출 코팅하여 형성한 용융 압출 수지층이 사용될 수 있다.
제 2 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 상기 외층의 두께가 5 내지 40㎛이고, 상기 배리어층의 두께는 5 내지 100㎛이며, 상기 내층의 두께가 10 내지 50㎛일 수 있다. 상기 두께들이 너무 얇은 경우에는 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 전지 케이스는, 제 1 영역(121)을 통해 활성화 공정 중 발생한 내부 가스가 배출되므로, 내부 가스에 의해 전극조립체의 팽창 또는 변형을 억제하는 효과가 있다. 또한 도 7을 참조하면, 본 발명의 전지 케이스는, 내부 가스가 배출되므로, 전지 케이스가 부풀지 않아, 집게와 같은 이송 부재를 사용해 전지셀을 픽업하기 용이한 형태가 되는 이점도 있다.
도 8은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 케이스가 도시되어 있다. 이를 참조하면, 제 1 영역(121)을 구성하는 라미네이트 시트는 배리어층이 제거됨에 따라, 상기 제 1 영역을 제외한 나머지 영역을 구성하는 라미네이트 시트와 비교해, 상대적으로 팽창성이 우수하다. 따라서, 활성화 공정 중 발생한 가스는, 팽창이 잘 되는 제 1 영역(121)으로 이동하려는 경향을 가지게 된다. 이에 따라 내부 가스의 대부분은, 가스 포켓부(121) 상에 위치하는 제 1 영역(121)에 포집되어, 제 1 영역의 라미네이트 시트를 팽창시키고, 소량의 가스만이 수납부(110)에 잔존하게 되는 것이다.
도 9는, 본 발명은 또 다른 일 실시예에 따른 전지 케이스로서, 제 1 영역(121)의 라미네이트 시트를 구성하는 배리어층에 슬릿(미도시)을 형성시켜, 활성화 공정 중 발생한 가스가 상기 슬릿을 통해 배출되어, 내부 가스에 의해 전극조립체의 스웰링 또는 변형을 억제하는 효과를 나타내고 있다.
본 발명은, 상기 전지 케이스를 이용하여 활성화 공정을 수행하는 이차전지의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은, 상기 전지 케이스에 전극 조립체를 수납하고 전해액을 주입하는 단계; 및 상기 전지 케이스를 실링 또는 가실링한 상태에서, 활성화 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 활성화 공정이란, 전해액을 주입하고, 밀봉을 완료한 전지에 대해서, 전해액이 충분히 함침되도록 하는 숙성(aging) 공정과, 소정의 SOC로 충/방전하여 전지를 활성화 시키는 활성화 공정을 포함하는 개념이다. 상기 활성화 공정 시에는 전극과 분리막 사이에 부반은 가스 등이 트랩되는 것을 방지하기 위해, 충/방전과 동시에 또는 충/방전 이후 일정 압력으로 가압하는 과정을 포함할 수도 있다.
하나의 구체적 예에서, 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은, 상기 활성화 공정 이후에, 상기 가스 포켓부에 하나 이상의 관통홀을 천공하여 내부 가스를 배출시키는 탈기 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은, 활성화 공정 중 발생하는 내부 가스가, 제 1 영역을 통해 배출되거나, 상대적으로 팽창이 잘 되는 제 1 영역으로 이동함에 따라, 내부 가스에 의해 전극조립체가 스웰링되거나 변형되는 현상을 억제하는 효과가 있다. 또한, 후속 공정을 위해, 집게와 같은 이송 부재로 전지셀을 픽업할 때에, 내부 가스가 전지 케이스로부터 배출되어 있으므로, 내부 가스로 전지 케이스가 팽창된 전지셀과 비교해 픽업이 용이한 효과도 있어 공정의 편의를 기하는 이점도 있다.
1: 전극조립체
10, 100: 전지 케이스
11, 110: 수납부
12, 120: 가스 포켓부
13, 130: 실링부
121: 제 1 영역
200: 트레이
300: 집게
a: 가스
20: 라미네이트 시트
21: 외층
22: 배리어층
23: 내층

Claims (12)

  1. 외층/배리어층/내층 구조를 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 리튬 이차전지용 전지 케이스로서,
    가스의 배출이 용이하거나, 상대적으로 팽창이 더 잘되는 영역인 제 1 영역; 및 상기 제 1 영역을 제외한 나머지 영역인 제 2 영역을 포함하며,
    상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하지 않거나, 슬릿이 형성된 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 케이스는,
    전극조립체가 수납되는 수납부; 및 활성화 공정 중 발생되는 가스가 포집되는 가스 포켓부를 포함하고,
    상기 제 1 영역이 가스 포켓부에 형성된 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배리어층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 배리어층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 영역을 구성하는 라미네이트 시트는, 슬릿이 형성된 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 영역은,
    상기 가스 포켓부의 일측 단부가 수납부와 만나는 경계로부터, 상기 가스 포켓부의 타측 단부까지의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 외층은 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌(PP) 및 싸이클릭 올레핀 코폴리머(COC)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 외층은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 이축 배향 폴리프로필렌(BOPP) 및 싸이클릭 올레핀 코폴리머(COC)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 내층은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  10. 제 5 항에 있어서, 제 1 영역의 내층 및 외층은 슬릿이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 전지 케이스.
  11. 제 1 항의 전지 케이스에 전극 조립체를 수납하고 전해액을 주입하는 단계; 및
    상기 전지 케이스를 실링 또는 가실링한 상태에서, 활성화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 활성화 공정 이후에 상기 가스 포켓부에 하나 이상의 관통홀을 천공하여 내부 가스를 배출하는 탈기 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 이차전지의 제조 방법.
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