KR20210074908A - 이차전지 제조방법 및 이차전지 제조용 프리 디개스 장치 - Google Patents

이차전지 제조방법 및 이차전지 제조용 프리 디개스 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차전지 제조방법 및 이차전지 제조용 프리 디개스 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 전지 케이스의 내부에 형성된 수용부에 전극 조립체를 수용시켜 셀을 형성시키는 수용과정, 상기 전지 케이스의 수용부로 전해액을 주액하는 전해액 주액 과정, 상기 전해액에 상기 전극 조립체가 함침되도록 일정 시간 경과시키는 1차 에이징(aging) 과정, 상기 셀을 1차 충방전 시키는 1차 충전 과정; 상기 전지 케이스를 가압하여 전극 조립체의 내부에 위치된 가스를 상기 전극 조립체의 외부로 배출시키는 프리 디개스(Pre-Degas) 과정, 및 상기 전해액에 상기 전극 조립체가 함침되도록 일정 시간 경과시키는 2차 에이징 과정을 포함하고, 상기 프리 디개스 과정은 상기 전지 케이스에 열을 가하며 가압한다.

Description

이차전지 제조방법 및 이차전지 제조용 프리 디개스 장치{RECHARGEABLE BATTERY MANUFACTURING METHOD AND PRE-DEGAS DEVICE FOR RECHARGEABLE BATTERY MANUFACTURING}
본 발명은 이차전지 제조방법 및 이차전지 제조용 프리 디개스 장치에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지는 전극 조립체와 전해액을 수용한다. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
전극 조립체는 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 권취한 젤리 롤(Jelly-roll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리 필름으로 권취한 스택/폴딩형으로 대략 분류할 수 있다.
이차전지는 전지 용량 상승과 사이클(Cycle) 개선을 위해 로딩(Loading)량 증가 및 전해액 첨가제 양이 증가하는 방향으로 셀 설계가 진행되고 있다.
로딩량 증가와 사이클 특성 향상을 위한 첨가제 양 증가는 1차 충전 시 발생하는 가스(Gas)량 증가를 가져온다.
가스(Gas)량 증가로 인해 이 후 디개스(De-gas) 공정에서 효과적으로 가스가 제거되지 않으며, 가스 제거를 위해 진공도, 시간, Pusher 압력 등의 증가 시 셀 내부 전해액 토출량 증가로 인해 사이클 저하가 발생될 가능성이 높은 문제가 있다.
한국 공개특허 제10-2014-0015647호
본 발명의 하나의 관점은 이차전지 제조 시 프리 디개스(Pre-Degas) 과정을 추가하여 전극 조립체의 내부 가스를 제거할 수 있는 이차전지 제조방법 및 이차전지 제조용 프리 디개스 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법은, 전지 케이스의 내부에 형성된 수용부에 전극 조립체를 수용시켜 셀을 형성시키는 수용과정, 상기 전지 케이스의 수용부로 전해액을 주액하는 전해액 주액 과정, 상기 전해액에 상기 전극 조립체가 함침되도록 일정 시간 경과시키는 1차 에이징(aging) 과정, 상기 셀을 1차 충방전 시키는 1차 충전 과정, 상기 전지 케이스를 가압하여 전극 조립체의 내부에 위치된 가스를 상기 전극 조립체의 외부로 배출시키는 프리 디개스(Pre-Degas) 과정, 및 상기 전해액에 상기 전극 조립체가 함침되도록 일정 시간 경과시키는 2차 에이징 과정을 포함하고, 상기 프리 디개스 과정은 상기 전지 케이스에 열을 가하며 가압할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조용 프리 디개스 장치는 이차전지 제조과정에서 전극 조립체 및 전해액이 전지 케이스에 수용된 셀을 1차 에이징 및 1차 충전 후 2차 에이징 과정 전에 열을 가하여 가압하는 가압롤 및 상기 가압롤을 지지하는 지지체를 포함하고, 상기 가압롤을 통해 상기 셀의 전지 케이스를 가압하여 상기 전극 조립체 내부에 위치된 가스를 전극 조립체 외부롤 배출시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지 제조 시, 1차 충전 후 프리 디개스(Pre-Degas) 과정을 추가하여 전극 조립체의 내부 가스를 제거할 수 있다. 이로 인해, 전극조립체 내부 전해액 토출량이 증가되지 않아 사이클 저하가 발생되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 수용과정을 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 전해액 주액과정을 나타낸 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 1차 실링과정을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 프리 디개스 과정을 나타낸 정면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 프리 디개스 과정을 진행하는 프리 디개스 장치의 일부를 투시하여 나타낸 정면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 프리 디개스 과정을 진행하는 프리 디개스 장치의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 프리 디개스 과정에 적용되는 가압롤을 나타낸 정단면도 및 측단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 디개스 과정을 나타낸 정면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 2차 실링과정을 나타낸 정면도이다.
도 11은 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정에서 디개스 과정 시 전해액 토출량을 나타낸 그래프이다.
도 12는 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조 시 2차 포메이션(Formation) 용량을 나타낸 그래프이다.
도 13은 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정에서 1차 충전 후 만충 분해 시, 반응 가스로 인한 음극 표면의 미반응 영역을 나타낸 사진이다.
도 14는 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정에서 1차 충전 후 만충 분해 시, 반응 가스로 인한 음극 표면의 Li-plating을 나타낸 사진이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이차전지 제조방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 수용과정을 나타낸 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 전해액 주액과정을 나타낸 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 1차 실링과정을 나타낸 평면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 프리 디개스 과정을 나타낸 정면도이다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법은 전지 케이스(120)의 내부에 전극 조립체(110)를 수용시키는 수용과정(S10), 전해액을 주액하는 전해액 주액 과정(S20), 일정 시간 경과시키는 1차 에이징(aging) 과정, 1차 충방전 시키는 1차 충전 과정(S50), 전지 케이스(120)를 가압하는 프리 디개스(Pre-Degas) 과정(S60), 및 일정 시간 경과시키는 2차 에이징 과정(S70)을 포함하여 이차전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법은 전해액 주액 과정(S20) 후 전지 케이스(120)를 밀봉하는 1차 실링과정(S30)을 더 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면, 셀(100)은 전지 케이스(120)및 전지 케이스(120)의 수용부(121)에 수용되는 전극 조립체(110)를 포함한다. 이때, 전극 조립체(110)는 전극에 전기적으로 연결되는 전극 리드(111,112)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(110)는 충방전이 가능한 발전소자로서, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성될 수 있다.
전극은 양극 및 음극으로 구성될 수 있다. 이때, 전극 조립체(110)는 양극/분리막/음극이 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 그리고, 전극 리드 리드(111,112)는 양극과 연결되는 양극 리드(111) 및 음극과 연결되는 음극 리드(112)를 포함할 수 있다.
양극은 양극 집전체와, 양극 집전체에 적층된 양극 활물질을 포함할 수 있다.
양극 집전체는 알루미늄 재질의 포일(Foil)로 이루어질 수 있다.
양극 활물질은 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
음극은 음극 집전체와, 음극 집전체에 적층된 음극 활물질을 포함할 수 있다.
음극 집전체는 예를 들어 구리(Cu)재질로 이루어진 포일(foil)로 이루어질 수 있다.
음극 활물질은 흑연계 물질을 포함하는 화합물 또는 혼합물일 수 있다.
분리막은 절연 재질로 이루어져 양극과 음극 사이를 전기적으로 절연한다. 여기서, 분리막은 미다공성을 가지는 폴리에칠렌, 폴리프로필렌 등 폴리올레핀계 수지막으로 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 수용과정(S10)은 전지 케이스(120)의 내부에 형성된 수용부(121)에 전극 조립체(110)를 수용시켜 셀(100)을 형성시킬 수 있다.
여기서, 도 2 및 도 3을 참고하면, 전지 케이스(120)는 전극 조립체(110)가 수용되는 수용부(121) 및 수용부(121)와 연결되어 수용부(121)의 내부에서 발생한 가스를 포집하는 가스 포켓부(122)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참고하면, 전해액 주액 과정(S20)은 전지 케이스(120)의 수용부(121)로 전해액을 주액할 수 있다.
이때, 전해액 주액 과정(S20)은 전해액 공급관(P)을 통해 전해액을 전지 케이스(120)의 내부에 주액할 수 있다.
여기서, 전해액은 염(Salt), 용매, 및 첨가제를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 1차 실링과정(S30)은 전해액 주액 과정(S20) 후 전지 케이스(120)를 밀봉할 수 있다.
여기서, 1차 실링과정(S30)은 전해액 주액 과정(S20) 후, 1차 에이징 과정(S40) 전에, 전지 케이스(120)의 개방부위를 실링하여 실링부(S1)를 형성시킬 수 있다.
이때, 전지 케이스(120)에서 가스 포켓부(122)의 단부를 열융착시켜 개방부위를 실링할 수 있다.
1차 에이징(aging) 과정(S40)은 전해액에 전극 조립체가 함침되도록 일정 시간 경과시킬 수 있다.
이에 따라, 전극 조립체가 전해액에 함침되어 리튬 이온의 이동이 원활해 질 수 있다.
1차 충전 과정(S50)은 셀(100)을 1차 충방전 시킬 수 있다.
1차 충전 과정(S50)은 셀(100)의 전극 리드(111,112)에 전기를 연결하여 셀(100)을 충전시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 프리 디개스 과정을 진행하는 프리 디개스 장치의 일부를 투시하여 나타낸 정면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 프리 디개스 과정을 진행하는 프리 디개스 장치의 측면도이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 프리 디개스 과정에 적용되는 가압롤을 나타낸 정단면도 및 측단면도이다.
도 1, 및 도 6 내지 도 8을 참고하면, 프리 디개스 과정(S60)은 셀(100)의 전지 케이스(120)를 가압하여 전극 조립체(110)의 내부에 위치된 가스(Gas)를 전극 조립체(110)의 외부로 배출시킬 수 있다. 여기서, 프리 디개스 과정(S60)은 전지 케이스(120)에 구멍을 내지 않고, 전지 케이스(120)의 내에서 전극 조립체(110)의 내부에 위치된 가스를 전극 조립체(110)의 외부로 배출시키는 것으로서, 전극 조립체(110)의 외부로 배출된 가스가 전지 케이스(120)의 외부로 배출되는 것은 아니다. 이에 따라, 프리 디개스 통해 전극 조립체(110)의 내부 가스를 제거할 수 있어, 전극 조립체(110) 내부의 전해액 토출량이 증가되지 않아 음극 미반응 영역 감소 될 수 있고, 사이클 저하가 발생되지 않을 수 있다
그리고, 이송 수단인 컨베이어 벨트(C)를 통해 이송되는 셀(100)들에 대해 프리 디개스 장치(200)를 통해 순차적으로 프리 디개스 과정(S60)을 진행할 수 있다.
또한, 프리 디개스 과정(S60)은 셀(100)의 전지 케이스(120)에 열을 가하며 가압할 수 있다. 이에 따라, 셀(100)의 온도 상승으로 인한 셀(100)에 수용된 전극 조립체(110)의 내부 가스 제거가 향상되며, 온도와 압력이 함께 가해지기 때문에 셀(100) 외관의 주름이 방지되고, 강성(Stiffness)이 향상된다. 이때, 프리 디개스 과정(S60)은 20~100℃의 열을 가하며 셀(100)의 전지 케이스(120)를 가압할 수 있다. 여기서, 프리 디개스 과정(S60)은 유도가열 롤러로 이루어진 가압롤(230)을 통해 전지 케이스(110)에 열을 가할 수 있다.
한편, 가압롤(230)은 셀(100)의 상,하부를 가압하는 상부 롤(210) 및 하부 롤(220)을 포함할 수 있다. 여기서, 상부 롤(210) 또는 상부 롤(210) 및 하부 롤(220)이 유도가열 롤러로 이루어질 수 있다.
이때, 도 8을 참고하면, 상부 롤(210)은 중심부에 구비된 샤프트(212), 샤프트(212)의 외주면에 권취된 인덕션 코일(Induction coil)(213), 및 외주면에 구비된 외통(211)을 포함할 수 있다. 인덕션 코일(213)에 전원이 공급되면, 상부 롤(210)의 외통(211)을 가로 지르는 마그네틱 플럭스(magnetic flux)(214)가 발생하며, magnetic flux(214)는 외통(211)에서 와전류를 발생시키고, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 등가회로와 같은 전류의 흐름이 발생되어 외통(211)이 가열된다. 이때, 외통(211)에서 초기 가열부분(215)의 가열이 시작되어 외통(211) 전체가 가열될 수 있다.
아울러, 도 1, 및 도 5 내지 도 7을 참고하면, 프리 디개스 과정(S60)은 가압롤(230)을 통해 전지 케이스(120)의 외면을 롤 프레스(Roll Press) 방식으로 가압할 수 있다. 여기서, 프리 디개스 과정(S60)은 전지 케이스(120)의 외면을 가압롤을 통해 롤링(Rolling)하며 셀(100)을 가압할 수 있다.
그리고, 프리 디개스 과정(S60)은 셀(100)의 구조, 두께에 따라 전지 케이스(120)에 가하는 가압력을 조절하되, 100~400kgf 압력구간 안에서 가압력을 조절할 수 있다. 이때, 프리 디개스 과정(S60)은 가압롤(230)을 지지하는 지지체(240)에 액츄에이터(270)가 연결되어 액츄에이터(270)를 통해 셀(100)의 전지 케이스(120)에 가하는 가압력을 조절할 수 있다. 여기서, 지지체(240)는 상부 롤(210)을 회전가능하게 지지하고, 액츄에이터(270)를 통해 상부 롤(210)에 가하는 가압력을 조절하여 셀(100)에 가해지는 가압력이 조절될 수 있다.
또한, 프리 디개스 과정(S60)은 셀(100)의 두께에 따라 상부 롤(210) 및 하부 롤(220) 사이의 간격을 조절할 수 있다. 이때, 프리 디개스 과정(S60)은 간격조절수단(280)을 통해 상부 롤(210) 및 하부 롤(220) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
간격조절수단(280)은 모터(281) 및 모터(281)에 의해 회전되는 나사봉(282)을 포함할 수 있다.
모터(281)의해 나사봉(282)이 회전되면, 나사봉에 결합된 이동 프레임(260)이 상,하 이동된다. 이때, 이동 프레임(260)의 하부에 구비된 상부 롤(210)을 지지하는 지지체(240)가 상,하 이동되어, 상부 롤(210) 및 하부 롤(220) 사이의 간격이 조절될 수 있다.
모터(281)는 서보 모터(Servo motor)로 이루어질 수 있다.
한편, 하부 롤(220)은 받침부(250)를 통해 회전가능하게 지지될 수 있다.
2차 에이징 과정(S70)은 전해액에 전극 조립체(110)가 함침되도록 일정 시간 경과시킬 수 있다.
2차 에이징 과정(S70)은 셀(100)을 상온 및 고온에서 일정 시간 경과시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 디개스 과정을 나타낸 정면도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 2차 실링과정을 나타낸 정면도이다.
한편, 도 1, 도 9 및 도 10을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법은 2차 에이징 과정(S70) 후, 디개스 과정(S80), 2차 실링과정(S90), 및 2차 충방전 과정(S100)을 더 포함할 수 있다.
도 1 및 도 9를 참고하면, 디개스(Degas) 과정은 2차 에이징 과정(S70)을 거친 후, 2차 충방전 과정(S100) 전에, 전지 케이스(120)의 내부 가스를 전지 케이스(120)의 외부로 배출시킬 수 있다.
이때, 전지 케이스(120)에서 가스 포켓부(122)의 단부에 형성된 실링부(S1)를 커터(Cutter) 등을 통해 절개하여 제거하여, 가스 포켓부(122)의 절단 부위를 통해 전지 케이스(120)의 내부 가스를 외부로 배출 시킬 수 있다.
도 1 및 도 10을 참고하면, 2차 실링과정(S90)은 디개스 과정(S80)을 거친 후 전지 케이스(120)를 밀봉할 수 있다.
또한, 2차 실링과정(S90)은 가스 포켓부를 절개하여 제거한 후 제거된 부위를 열융착을 통해 밀봉부(S2)를 형성시켜 전지 케이스(120)를 밀봉할 수 있다.
2차 충방전 과정(S100)은 2차 에이징 과정(S70)을 거친 후, 셀(100)을 2차 충방전시켜 이차전지를 제조할 수 있다. 여기서, 2차 충방전 과정(S100)은 2차 에이징 과정(S70) 및 2차 실링과정(S90)을 거친 후, 셀(100)을 2차 충방전 시킬 수 있다.(참고 도 1)
또한, 2차 충전 과정은 셀(100)의 전극 리드(111,112)에 전기를 연결하여 셀(100)을 충전시킬 수 있다.
도 11은 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정에서 디개스 과정 시 전해액 토출량을 나타낸 그래프이다.
도 11의 그래프에 나타난 바와 같이, 종래기술에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(A)의 디개스 시, 전극 조립체 내부 전해액 토출량이 평균 0.416g이 발생된 반면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(B)의 디개스 시, 전극 조립체 내부 전해액 토출량이 평균 0.05g이 발생되었다.
보다 상세히, 종래기술에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(A)은 전지 케이스에 구멍을 형성시켜 전지 케이스 내부에 위치되는 가스를 전지 케이스의 외부로 배출시키는 디개스 과정 시, 전극 조립체 내부에 위치된 가스가 전극 조립체의 외부를 통해 전지 케이스 외부로 배출되면서 전해액이 함께 토출된다. 이때, 전극 조립체 내부에 위치된 가스가 전해액을 밀고 올려가며 전해액 토출량이 증가된다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(B)의 디개스 시, 프리 디개스 과정을 통해 전극 조립체의 내부에 위치된 가스를 전극 조립체의 외부로 배출시켜, 배출된 가스가 전해액의 상측에 위치되어 전지 케이스에 구멍을 형성하여 디개스 시 전해액의 상측에 위치된 가스만 배출되어 전해액 토출량이 현저히 감소된다.
결국, 종래기술에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(A) 보다 프리 디개스 과정을 거친 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(B)에서 전극 조립체 내부 전해액 토출량이 현저히 적어, 사이클 저하가 발생되지 않을 것을 예상할 수 있다.
도 12는 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조 시 2차 포메이션(Formation) 용량을 나타낸 그래프이다.
도 12의 그래프에 나타난 바와 같이, 종래기술에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(A)의 2차 포메이션(Formation) 평균 용량이 62.1199(Ah))인 반면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(B)의 2차 포메이션(Formation) 평균 용량이 62.6369(Ah))인 것을 알 수 있다.
따라서, 종래기술에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(A) 보다 프리 디개스 과정을 거친 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정으로 제조되는 셀(B)에서, 음극 미반응 영역 감소로 인해 2차 포메이션(Formation) 용량이 향상된 것을 알 수 있다.
도 13은 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정에서 1차 충전 후 만충 분해 시, 반응 가스로 인한 음극 표면의 미반응 영역을 나타낸 사진이다.
도 13(a)에 나타난 바와 같이 종래기술에 따른 이차전지 제조과정에서 셀의 1차 충전 후 만충 분해 시, 반응 가스로 인한 음극 표면의 미반응 영역이 많은 영역을 차지하고 있는 것을 알 수 있다.
하지만, 도 13(b)에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정에서 셀의 1차 충전 후 만충 분해 시, 반응 가스로 인한 음극 표면의 미반응 영역이 현저히 감소된 것을 알 수 있다.
따라서, 프리 디개스 과정을 거친 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법으로 제조된 셀이 종래기술에 따른 이차전지 제조방법으로 제조된 셀 보다, 음극 미반응 영역의 현저한 감소로 인해 전지 용량이 현저히 향상될 수 있음을 알 수 있다.
도 14는 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정에서 1차 충전 후 만충 분해 시, 반응 가스로 인한 음극 표면의 Li-plating을 나타낸 사진이다.
도 14(a)에 나타난 바와 같이 종래기술에 따른 이차전지 제조과정에서 셀의 1차 충전 후 만충 분해 시, 반응 가스로 인한 Li-plating이 많은 부분을 차지하고 있는 것을 알 수 있다.
하지만, 도 14(b)에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조과정에서 셀의 1차 충전 후 전해액이 완충된 셀을 분해 시, 전극 조립체의 음극에서 반응 가스로 인한 Li-plating 부분이 현저히 감소된 것을 알 수 있다.
따라서, 프리 디개스 과정을 거친 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법으로 제조된 셀이 종래기술에 따른 이차전지 제조방법으로 제조된 셀 보다, 리튬 이온이 고체화 된 부분인 Li-plating 부분의 현저한 감소로 인해 전지 용량이 현저히 향상될 수 있음을 알 수 있다.
이차전지 제조용 프리 디개스 장치
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조장치를 설명하기로 한다.
도 2, 도 5 내지 도 8을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조장치는, 전극 조립체(110) 및 전해액이 전지 케이스(120)에 수용된 셀(100)을 열을 가하여 가압하는 가압롤(230) 및 가압롤(230)을 지지하는 지지체(240)를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조장치는, 간격조절수단(280) 및 액츄에이터(270)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조용 프리 디개스 장치(200)는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에 적용되는 이차전지 제조용 프리 디개스 장치(200)이다. 따라서, 본 이차전지 제조용 프리 디개스 장치(200)에 대한 실시예는 전술한 이차전지 제조방법에 대한 실시예와 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 기술하고, 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.
보다 상세히, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조용 프리 디개스 장치(200)는 이차전지 제조과정에서, 1차 에이징 과정(S40) 및 1차 충전 과정(S50) 후 2차 에이징 과정(S70) 전에 가압롤(230)을 통해 셀(100)의 전지 케이스(120)를 가압하여 전극 조립체(110) 내부에 위치된 가스를 전극 조립체(110)의 외부로 배출시킬 수 있다.(참조 도 1)
가압롤(230)은 전극 조립체(110) 및 전해액이 전지 케이스(120)에 수용된 셀(100)을 열을 가하여 가압할 수 있다 가압롤(230)은 전지 케이스(120)의 외면을 롤 프레스(Roll Press) 방식으로 가압할 수 있다. 즉, 전지 케이스(120)의 외면을 가압롤(230)을 통해 롤링(Rolling)하며 셀(100)을 가압할 수 있다.
또한, 가압롤(230)은 상부 롤(210) 및 하부 롤(220)을 포함하여, 셀(100)의 상,하부를 가압할 수 있다.
아울러, 20~100℃의 열을 가하며 셀(100)의 전지 케이스(120)를 가압할 수 있다.
그리고, 가압롤(230)은 유도가열 롤러로 이루어져 전지 케이스(120)에 열을 가할 수 있다. 여기서, 상부 롤(210) 또는 상부 롤(210) 및 하부 롤(220)이 유도가열 롤러로 이루어질 수 있다.
이때, 도 7을 참고하면, 상부 롤(210)은 중심부에 구비된 샤프트(212), 샤프트(212)의 외주면에 권취된 인덕션 코일(Induction coil)(213), 및 외주면에 구비된 외통(211)을 포함할 수 있다. 인덕션 코일(213)에 전원이 공급되면, 상부 롤(210)의 외통(211)을 가로 지르는 마그네틱 플럭스(magnetic flux)가 발생하며, magnetic flux는 외통(211)에서 와전류를 발생시키고, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 등가회로와 같은 전류의 흐름이 발생되어 외통(211)이 가열된다. 이때, 외통(211)에서 초기 가열부분(215)의 가열이 시작되어 외통(211) 전체가 가열될 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 지지체(240)는 가압롤(230)을 지지할 수 있다. 이때, 지지체(240)는 상부 롤(210)을 지지할 수 있다. 여기서, 상부 롤(210)은 지지체(240)에 회전가능하게 장착될 수 있다.
간격조절수단(280)은 지지체(240)를 이동시켜 상부 롤(210) 및 하부 롤(220) 사이의 간격을 조절할 수 있다. 이때, 간격조절수단(280)은 이동 프레임(260)을 통해 지지체(240)를 상,하 이동시켜 상부 롤(210)을 상,하 방향으로 이동시킬 수 있다.
간격조절수단(280)은 모터(281) 및 모터(281)에 의해 회전되는 나사봉(282)을 포함할 수 있다.
모터(281)의해 나사봉(282)이 회전되면, 나사봉(282)에 결합된 이동 프레임(260)이 상,하 이동된다. 이때, 이동 프레임(260)의 하부에 구비된 상부 롤(210)을 지지하는 지지체(240)가 상,하 이동되어, 상부 롤(210) 및 하부 롤(220) 사이의 간격이 조절될 수 있다. 여기서, 나사봉(282)의 외주면에 나사부가 형성되고, 이동 프레임(260)에는 나사봉(282)의 나사부에 대응되는 나사홈이 형성될 수 있다.
모터(281)는 서보 모터(Servo motor)로 이루어질 수 있다.
한편, 하부 롤(220)은 받침부(250)를 통해 회전가능하게 지지될 수 있다.
액츄에이터(270)(actuator)는 상부 롤(210)이 장착된 지지체(240)에 연결될 수 있다. 여기서, 엑츄에이터는 전지 케이스(120)에 가하는 가압력을 조절할 수 있다. 이때, 액츄에이터(270)는 지지체(240)를 통해 상부 롤(210)에 가하는 가압력을 조절하여 셀(100)에 가해지는 가압력이 조절될 수 있다.
또한, 액츄에이터(270)는 셀(100)의 구조, 두께에 따라 전지 케이스(120)에 가하는 가압력을 조절하되, 100~400kgf 압력구간 안에서 가압력을 조절할 수 있다.
그리고, 액츄에이터(270)는 공압 액츄에이터 또는 유압 액츄에이터로 이루어질 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참고하면, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 프리 디개스 장치(200)는 이차전지 제조과정에서 전극 조립체(110) 및 전해액이 전지 케이스(120)에 수용된 셀(100)을 1차 에이징 과정(S40) 및 1차 충전 과정(S50) 후 2차 에이징 과정(S70) 전에 열을 가하여 가압하여, 전극 조립체(110)의 내부에 위치된 가스를 전극 조립체(110)의 외부로 배출시킬 수 있다.
이에 따라, 전극 조립체(110) 내부 전해액 토출량이 증가되지 않고, 음극 표면의 미반응 영역이 현저히 감소되고, 음극 표면의 Li-plating이 현저히 감소될 수 있다.
결국, 전지 용량이 증대되고, 사이클 저하를 방지할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법 및 이차전지 제조용 프리 디개스 장치는 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 실시가 가능하다고 할 것이다.
또한, 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 셀
110: 전극 조립체
111: 양극 리드
112: 음극 리드
120: 전지 케이스
121: 수용부
122: 가스 포켓부
200: 프리 디개스 장치
210: 상부 롤
220: 하부 롤
230: 가압롤
240: 지지체
250: 받침부
260: 이동 프레임
270: 액츄에이터
280: 간격조절수단
281: 모터
282: 나사봉
P: 전해액 공급관
S1: 실링부
S2: 밀봉부

Claims (15)

  1. 전지 케이스의 내부에 형성된 수용부에 전극 조립체를 수용시켜 셀을 형성시키는 수용과정;
    상기 전지 케이스의 수용부로 전해액을 주액하는 전해액 주액 과정;
    상기 전해액에 상기 전극 조립체가 함침되도록 일정 시간 경과시키는 1차 에이징(aging) 과정;
    상기 셀을 1차 충방전 시키는 1차 충전 과정;
    상기 전지 케이스를 가압하여 전극 조립체의 내부에 위치된 가스를 상기 전극 조립체의 외부로 배출시키는 프리 디개스(Pre-Degas) 과정; 및
    상기 전해액에 상기 전극 조립체가 함침되도록 일정 시간 경과시키는 2차 에이징 과정을 포함하고,
    상기 프리 디개스 과정은 상기 전지 케이스에 열을 가하며 가압하는 이차전지 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 에이징 과정을 거친 후, 상기 셀을 2차 충방전 시키는 2차 충방전 과정을 더 포함하는 이차전지 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 2차 에이징 과정을 거친 후, 상기 2차 충방전 과정 전에,
    상기 전지 케이스의 내부 가스를 상기 전지 케이스의 외부로 배출시키는 디개스 과정을 더 포함하는 이차전지 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 2차 에이징 과정은 상기 셀을 상온 및 고온에서 일정 시간 경과시키는 이차전지 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리 디개스 과정은
    가압롤(Roll)을 통해 상기 전지 케이스의 외면을 롤 프레스(Roll Press) 방식으로 가압하는 이차전지 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 프리 디개스 과정은
    20~100℃의 열을 가하며 상기 전지 케이스를 가압하는 이차전지 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 프리 디개스 과정은
    상기 셀의 구조, 두께에 따라 상기 전지 케이스에 가하는 가압력을 조절하되, 100~400kgf 압력구간 안에서 가압력을 조절하는 이차전지 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 프리 디개스 과정은
    상기 가압롤을 지지하는 지지체에 액츄에이터가 연결되어 상기 액츄에이터를 통해 상기 전지 케이스에 가하는 가압력을 조절하는 이차전지 제조방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 가압롤은 상기 셀의 상,하부를 가압하는 상부 롤 및 하부 롤을 포함하고,
    상기 프리 디개스 과정은 상기 셀의 두께에 따라 상기 상부 롤 및 하부 롤 사이의 간격을 조절하는 이차전지 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리 디개스 과정은
    유도가열 롤러로 이루어진 가압롤을 통해 상기 전지 케이스에 열을 가하는 이차전지 제조방법.
  11. 이차전지 제조과정에서 전극 조립체 및 전해액이 전지 케이스에 수용된 셀을 1차 에이징 및 1차 충전 후 2차 에이징 과정 전에 열을 가하여 가압하는 가압롤; 및
    상기 가압롤을 지지하는 지지체를 포함하고,
    상기 가압롤을 통해 상기 셀의 전지 케이스를 가압하여 상기 전극 조립체 내부에 위치된 가스를 전극 조립체 외부롤 배출시키는 이차전지 제조용 프리 디개스 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 가압롤은 상부 롤 및 하부 롤을 포함하여, 상기 셀의 상,하부를 가압하는 이차전지 제조용 프리 디개스 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 지지체는 상기 상부 롤을 지지하고,
    상기 지지체를 이동시켜 상기 상부 롤 및 상기 하부 롤 사이의 간격을 조절하는 간격조절수단을 더 포함하는 이차전지 제조용 프리 디개스 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 지지체에 연결된 액츄에이터를 더 포함하고,
    상기 액츄에이터는 상기 전지 케이스에 가하는 가압력을 조절하는 이차전지 제조용 프리 디개스 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 가압롤은 유도가열 롤러로 이루어져 상기 전지 케이스에 열을 가하는 이차전지 제조용 프리 디개스 장치.
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