KR20210098635A - 전지셀 충방전 지그, 이를 포함하는 전지셀 충방전 장치 및 이를 이용한 전지셀의 충방전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그, 이를 포함하는 전지셀 충방전 장치 및 이를 이용한 전지셀의 충방전 방법은, 전지셀을 용이하게 체결할 수 있으며, 이에 따라 전지셀의 체결시 전극 탭 꺾임 및 부분 단선 등의 발생을 방지한다.

Description

전지셀 충방전 지그, 이를 포함하는 전지셀 충방전 장치 및 이를 이용한 전지셀의 충방전 방법{JIG FOR CHARGING AND DISCHARGING BATTERY CELL, DEVICE FOR CHARGING AND DISCHARGING BATTERY CELL INCLUDING THE SAME, AND METHOD FOR CHARGING AND DISCHARGING BATTERY CELL USING THE SAME}

본 발명은 전지셀 충방전 지그, 이를 포함하는 전지셀 충방전 장치 및 이를 이용한 전지셀의 충방전 방법에 관한 것이다.

최근 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에, 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.

특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 연구가 행해지고 있다.

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

일반적으로, 이러한 이차전지는 전지케이스 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극 조립체가 내장되어 있고, 양극 및 음극 탭들이 두 개의 전극 탭에 용접되어 전지케이스의 외부로 노출되도록 실링되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전극 탭은 외부 장치와 접촉을 통해 전기적으로 연결되고, 이차전지는 전극 탭을 통해 외부 장치에 전력을 공급하거나 외부 장치로부터 전력을 공급받게 된다.

한편, 이차전지는 전극 조립체를 전지케이스에 수납하고 전해액을 주입하는 단계를 거친 후, 전지 활성화 단계를 거쳐 제조된다. 이때, 전지 활성화 단계는 이차전지 충방전 장치에 이차전지를 장착한 후, 활성화에 필요한 조건으로 이차전지를 충방전하는 과정을 포함하게 된다. 이와 같은 이차전지 충방전 장치는 전지 활성화 단계에서 이차전지를 충전하거나 방전하는데 주로 사용되는데, 이뿐만 아니라 이차전지의 성능 평가 용도 등으로 사용되기도 한다.

그러나, 이러한 이차전지 충방전 장치를 이용하여 이차전지를 올바르게 충전하거나 방전하기 위해서는 이차전지가 이차전지 충방전 장치에 제대로 장착되어야 한다. 즉, 이차전지의 전극 탭이 이차전지 충방전 장치의 도전부에 접하도록 배치되어 양자가 전기적으로 연결되어야 하고, 충방전이 진행되는 동안에 이러한 전기적 연결 상태가 유지되어야 한다.

이를 위한 이차전지 충방전 장치는 전극 탭을 고정하는 고정 지그를 구비하고 있는 것이 일반적이다. 이차전지의 충방전 시, 도 1에 도시된 바와 같은 고정 지그를 적용한다. 상기 고정 지그는 제1 및 제2 지그 블록(10, 20) 사이에 전지셀의 전극 탭이 위치하게 된다. 또한, 제1 지그 블록 제어 유닛(30)을 통해 제1 지그 블록(10)의 높이를 낮추면서 전극 탭을 가압 및 고정하게 된다. 한편, 상기 제1 지그 블록 제어 유닛(30)은 상면 부재(40)를 관통하도록 형성되고, 한 쌍의 측면 부재(50)가 상면 부재(40)를 지지하게 된다. 이때, 상기 측면 부재(50)와 상면 부재(40)는 나사 등과 같은 체결 부재(41)에 의해서 서로 체결되어 있다.

그러나, 이러한 고정 지그를 이용하여 전지셀을 충방전 시키는 경우, 고정 지그 체결시 과정이 복잡하고, 체결 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 구체적인 지그 체결 과정을 살펴보면, 체결 방식이 고정된 충방전 지그를 사용하여 협소한 공간(항온챔버)에서 무리하게 전지셀을 체결하는 경우에는, 리드 꺾임으로 인해 내부의 전극 탭 꺾임 및 부분 단선 등이 발생할 수 있다. 전극 탭의 단선은 전지셀의 용량 저하는 물론이고 전지셀의 발화를 야기할 수 있다. 이로 인하여, 고정 지그 체결 시 전술한 바와 같은 전극 탭 꺾임 발생을 방지하기 위해 체결 시간이 오래 걸리는 문제가 발생하게 된다.

한국 특허공개공보 제2013-0088820호

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 이차전지의 충방전 시, 전지셀의 체결이 용이한 전지셀 충방전 지그, 이를 포함하는 전지셀 충방전 장치 및 이를 이용한 전지셀의 충방전 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 전지셀 충방전 지그를 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그는 전지셀의 전극 탭 일면을 가압하는 제1 지그 블록; 전극 탭의 일면과 대향하는 타면을 가압하는 제2 지그 블록; 제1 지그 블록과 연결되어 제1 지그 블록을 상기 전극 탭의 상기 일면을 향하여 이동시키는 제1 지그 블록 제어 유닛; 제1 지그 블록 제어 유닛이 관통하는 관통홀이 형성된 상면 부재; 상면 부재를 지지하는 제1 측면 부재 및 제2 측면 부재; 및 상면 부재가 제1 측면 부재로부터 회동되도록 제1 측면 부재와 상면 부재를 서로 연결하는 힌지를 포함한다.

하나의 예에서, 상기 힌지는 상면 부재의 일측단과 제1 측면 부재의 외측면에 결합되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그는 제2 지그 블록 하단에 하면 부재를 더 포함하며, 상기 하면 부재는 제1 측면 부재의 하단 및 제2 측면 부재의 하단과 결합되는 것을 특징으로 한다.

다른 하나의 예에서, 상기 제2 측면 부재와 상면 부재를 체결하는 체결수단을 더 포함한다. 구체적으로, 상기 체결수단은 고정용 걸쇠와 고정용 걸쇠에 체결되는 고리 또는 링 형상의 부재를 포함하거나, 고정 핀 형태의 부재를 포함한다. 예를 들어, 상기 체결수단은 체결수단은 토글 클램프(toggle clamp)일 수 있다.

하나의 예에서, 상기 제1 지그 블록 및 제2 지그 블록은 동일 방향으로 나란히 배향된 구조이거나, 서로 마주보는 형태로 배열된 구조이다.

또한, 상기 제1 지그 블록 및 제2 지그 블록은 전기적으로 서로 연결되어 있을 수 있다.

하나의 예에서, 상기 제1 측면 부재 및 제2 측면 부재는 절연성 소재이며, 제1 지그 블록 및 제2 지그 블록은 전도성 소재이다. 예를 들어, 상기 제1 지그 블록 및 제2 지그 블록은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 포함한다.

또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지셀 충방전 지그를 포함하는 전지셀 충방전 장치를 제공한다. 하나의 예에서, 전지셀 충방전 장치는 제1 전지셀 충방전 지그 및 제2 전지셀 충방전 지그를 포함한다.

구체적인 예에서, 상기 전지셀 충방전 장치는 전지셀의 전극 탭과 전기적으로 연결되는 충방전부를 더 포함한다.

또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지셀 충방전 장치를 이용한 전지셀의 충방전 방법을 제공한다.

구체적인 예에서, 전지셀의 충방전 방법은 제1 및 제2 지그 블록 사이에 전극 탭을 고정한 상태에서 전지셀을 충방전하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그, 이를 포함하는 전지셀 충방전 장치 및 이를 이용한 전지셀의 충방전 방법은 전지셀을 용이하게 체결할 수 있으며, 이에 따라 전지셀의 체결시 리드 꺾임으로 인해 내부의 전극 탭 꺾임 및 부분 단선 등의 발생을 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 전지셀 충방전 장치를 포함하는 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그의 사용양태를 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 정면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서, "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. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.

본 발명은 전지셀 충방전 지그에 관한 것으로, 전지셀의 전극 탭을 고정하는 지그 블록을 포함한다. 하나의 예에서, 전지셀 충방전 지그는 전지셀의 전극 탭 일면을 가압하는 제1 지그 블록; 전극 탭의 일면과 대향하는 타면을 가압하는 제2 지그 블록; 제1 지그 블록과 연결되어 제1 지그 블록을 상기 전극 탭의 상기 일면을 향하여 이동시키는 제1 지그 블록 제어 유닛; 제1 지그 블록 제어 유닛이 관통하는 관통홀이 형성된 상면 부재; 상면 부재를 지지하는 제1 측면 부재 및 제2 측면 부재; 및 상면 부재가 제1 측면 부재로부터 회동 되도록 제1 측면 부재와 상면 부재를 서로 연결하는 힌지를 포함한다.

일반적으로, 전지셀은 전지셀 충방전 지그에 고정한 상태에서 충방전을 수행하며, 필요에 따라 전지셀의 물성을 평가하게 된다. 그러나, 체결 방식이 고정된 충방전 지그를 사용하여 협소한 공간(항온챔버)에서 무리하게 전지셀을 체결하는 경우에는, 리드 꺾임으로 인해 내부의 전극 탭 꺾임 및 부분 단선 등이 발생할 수 있다. 전극 탭의 단선은 전지셀의 용량 저하는 물론이고 전지셀의 발화를 야기할 수 있다. 이로 인하여, 고정 지그 체결 시 전술한 바와 같은 전극 탭 꺾임 발생을 방지하기 위해 체결 시간이 오래 걸리는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 전지셀의 체결이 용이한 전지셀 충방전 지그를 제공한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그는 상면 부재와 측면부재를 연결하는 힌지를 포함하고, 상기 힌지 결합에 의하여, 상면 부재가 힌지축을 중심으로 회동되어 하우징 구조가 개방됨으로써, 전지셀의 체결이 용이한 이점이 있다.

본 발명의 전지셀 충방전 지그는 한 쌍의 지그 블록을 포함하며, 상기 한 쌍의 지그 블록은 전지셀의 전극 탭을 고정하는 역할을 한다. 하나의 예에서, 전지셀 충방전 지그는 제1 및 제2 지그 블록을 포함한다. 상기 제1 및 제2 지그 블록 사이에 전극 탭을 위치한 상태에서 고정하게 된다. 전극 탭을 고정하는 방식은 다양하게 변경 가능하며, 예를 들어, 아래쪽에 있는 제2 지그 블록이 고정된 상태에서, 위쪽의 제1 지그 블록이 하방향으로 이동하면서 전극 탭을 가압하는 구조일 수 있다. 경우에 따라서는, 제2 지그 블록이 이동하거나 제1 및 제2 지그 블록이 모두 이동하면서 전극 탭을 가압하는 구조도 가능하다.

아울러, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그는 하우징 구조를 포함하며, 상기 제1 및 제2 지그 블록이 상기 하우징 구조 내에 위치한다. 상기 제1 지그 블록의 이동은 제1 지그 블록 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다. 상기 제1 지그 블록 제어 유닛은 하우징 구조의 상면 부재에 형성된 홀을 통해 제1 지그 블록과 접촉하는 구조이고, 나사선 회전에 의해 제1 지그 블록을 가압하는 구조일 수 있다.

한편, 상기 하우징 구조는 상면 부재, 측면 부재 및 하면 부재를 포함한다. 하나의 예에서, 하우징 구조는 상면 부재, 상기 상면 부재를 지지하는 제1, 2 측면 부재, 및 제1, 2 측면 부재의 하단에 결합되는 하면 부재를 포함한다. 하나의 예에서, 상면 부재와 제1 측면 부재를 서로 연결하는 힌지를 포함한다. 예를 들어, 상기 힌지는 상면 부재의 일측단과 제1 측면 부재의 외측면에 결합되며, 힌지의 힌지축은 상기 상면 부재의 일측단과 제1 측면 부재의 외측면에 결합된다.

상기 힌지 결합에 의하여 상면 부재가 힌지축을 중심으로 회동되어, 하우징 구조를 개방시킬 수 있다. 그리고, 상기 상면 부재가 개방된 상태에서 전지셀의 전극 탭을 제2 지그 블록 상에 위치시킨 후, 상면 부재를 폐쇄하고, 제1 지그 블록 제어 유닛으로 제1 지그 블록을 가압함으로써, 전극 탭을 고정할 수 있다.

다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그는 제2 측면 부재와 상면 부재를 체결하는 체결수단을 더 포함한다. 제1 지그 블록 제어 유닛으로 제1 지그 블록을 가압하여 전극 탭을 고정하는 경우, 제1 지그 블록과 제 2 지그 블록 사이에서 발생하는 반발력에 의하여 상면 부재의 타측과 제2 측면 부재의 상부의 간격이 벌어질 수 있는데, 상기 체결수단은 이를 방지하기 위함이다. 구체적인 예에서, 상기 체결수단은 고정용 걸쇠와 고정용 걸쇠에 체결되는 고리 또는 링 형상의 부재를 포함하거나, 고정 핀 형태의 부재를 포함한다. 예를 들어, 상기 체결수단은 체결수단은 토글 클램프(toggle clamp) 일 수 있다. 구체적인 예에서, 상면 부재를 폐쇄한 후 체결수단으로 상면 부재의 타측과 제2 측면 부재의 외측면을 결합하여 하우징 구조를 폐쇄시킨 후 제1 지그 블록 제어 유닛으로 제1 지그 블록을 가압하여 전극 탭을 고정한다.

하나의 예에서, 상기 제1 지그 블록 및 제2 지그 블록은 전기적으로 서로 연결되어 있다.

하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그의 제1 측면 부재 및 제2 측면 부재는 절연성 소재이며, 제1 지그 블록 및 제2 지그 블록은 전도성 소재이다. 예를 들어, 상기 제1 지그 블록 및 제2 지그 블록은 알루미늄, 구리 또는 니켈 일 수 있으며, 전기전도성이 우수한 니켈 또는 구리일 수 있으며, 또는 니켈 또는 구리에 니켈이 도금된 것일 수 있다. 아울러, 상기 제1 측면 부재 및 제2 측면 부재는 전기절연성의 플라스틱 소재일 수 있다.

또한, 본 발명은 전지셀 충방전 지그를 포함하는 전지셀 충방전 장치를 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 장치는 전지셀의 전극 탭과 전기적으로 연결되는 충방전부를 더 포함한다. 상기 충방전부는 전지셀의 전극 탭에 직접 연결된 구조일 수 있다. 혹은 상기 충방전부는 본 발명에 따른 전지셀 충방전 장치의 한 쌍의 지그를 구성하는 각 지그에 연결된 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 충방전부는 각 지그의 제1 및 제2 지그 블록 중 어느 하나 이상의 지그 블록에 전기적으로 연결된 구조일 수 있고, 이 경우에 충방전부가 연결된 지그 블록은 도전성 금속의 블록일 수 있다.

다른 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 장치는 한 쌍의 전지셀 충방전 지그를 포함하며, 한 쌍의 전지셀 충방전 지그는 동일 방향으로 나란히 배향된 구조이거나, 서로 마주보는 형태로 배열된 구조이다. 이러한 지그의 배열은 전지셀의 형태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 충방전 대상이 되는 전지셀이 양측 단부에 각각 양극 탭과 음극 탭이 형성된 구조인 경우에는, 상기 한 쌍의 지그는 서로 마주보는 형태로 배열된 구조를 적용한다.

또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지셀 충방전 장치를 이용하여 전지셀을 충방전하는 방법을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지셀의 충방전 방법은, 제1 및 제2 지그 블록 사이에 전극 탭을 고정한 상태에서 전지셀을 충방전하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명에서 사용되는 전지셀은 전극 조립체, 전지 케이스, 전극 탭 및 리드 필름 등을 포함할 수 있다.

전극 조립체는 복수의 전극과 복수의 분리막이 교대로 적층된 구조일 수 있으며, 폴딩형, 스택형, 스택-폴딩형(SNF) 및 라미네이션-스택형(LNS)으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 구조일 수 있으며, 바람직하게는 라미네이션-스택형 구조일 수 있다.

라미네이션-스택형 구조의 전극 조립체는 일면 또는 양면에 분리막이 접합(laminate)되어 있는 전극을 하나 이상 포함하고 있을 수 있다. 예를 들어, 라미네이션-스택형 구조의 전극 조립체는 분리막이 양극 또는 음극의 일면에 접합되어 있는 구조일 수 있다. 또한, 분리막이 양극의 양면 또는 음극의 양면에 접합되어 있는 구조일 수도 있다. 또한, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재된 상태에서 양극, 분리막 및 음극이 서로 접합되어 있는 구조일 수도 있다.

양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는 혼합물에 충진제를 더 첨가할 수도 있다.

양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_{1 + x}Mn_{2 -x}O₄(여기서, x는 0~0.33임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-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 LiMn_{2 - x}M_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 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.

도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30중량%로 첨가될 수 있다. 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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

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

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

음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제조되며, 필요에 따라 전술한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수 있다.

음극 활물질로는 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_{1 - x}Me’_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, Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

분리막으로는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 분리막의 가공 직경은 일반적으로 0.01~10㎛이고, 두께는 5~300㎛일 수 있다. 이러한 분리막의 비제한적인 예로는, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등을 들 수 있다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

한편, 전지 케이스의 내부에 수납되어 있는 전극 조립체에 극성 유기 전해액과 리튬을 포함하는 리튬염 함유 비수계 전해액이 주입되어 있을 수 있다. 전해액은 비제한적인 예로는 비수계 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수 있다.

비수계 액상 전해액의 비제한적인 예로는, 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.

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

무기 고체 전해질로는 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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

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.

전지 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 전극 조립체를 패키징할 수 있다. 이러한 전지 케이스는 케이스 본체 및 케이스 테라스를 포함할 수 있다.

케이스 본체는 전극 조립체를 수용할 수 있으며, 이를 위해 케이스 본체에는 전극 조립체를 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다. 케이스 테라스는 케이스 본체로부터 연장되며, 케이스 본체 내부를 밀봉할 수 있게 실링될 수 있다.

전극 탭은 하나 이상으로 구비될 수 있으며, 전극 탭은 양극 탭 및 음극 탭으로 이루어질 수도 있다. 전극 탭은 전극 조립체와 전기적으로 연결되며, 전지 케이스, 구체적으로 케이스 테라스 밖으로 돌출될 수 있다.

리드 필름은 전극 탭과 전지 케이스, 구체적으로 케이스 테라스 사이의 실링성을 높이기 위한 것으로, 케이스의 실링면에 위치한 전극 탭의 상면과 하면에 각각 배치될 수 있다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

(제1 실시형태)

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 사시도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 측면도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 평면도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 정면도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그의 사용양태를 나타내는 모식도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그(100)는, 전지셀의 전극 탭 일면을 가압하는 제1 지그 블록(110); 전극 탭의 일면과 대향하는 타면을 가압하는 제2 지그 블록(120); 제1 지그 블록(110)과 연결되어 제1 지그 블록(110)을 상기 전극 탭의 상기 일면을 향하여 이동시키는 제1 지그 블록 제어 유닛(130); 제1 지그 블록 제어 유닛(130)이 관통하는 관통홀이 형성된 상면 부재(140); 상면 부재(140)를 지지하는 제1 측면 부재(151) 및 제2 측면 부재(152); 및 상면 부재(140)가 제1 측면 부재(151)로부터 회동 되도록 제1 측면 부재(151)와 상면 부재(140)를 서로 연결하는 힌지(170)를 포함한다.

상기 전지셀 충방전 지그(100)는 하우징 구조를 포함하며, 상기 제1 및 제2 지그 블록(110, 120)은 상기 하우징 구조 내에 위치한다. 상기 제1 지그 블록(110)의 이동은 제1 지그 블록 제어 유닛(130)에 의해 수행된다. 상기 제1 지그 블록 제어 유닛(130)은 상면 부재에 형성된 홀을 통해 제1 지그 블록(110)과 접촉하는 구조이고, 나사선 회전에 의해 제1 지그 블록(110)을 가압하게 된다.

구체적으로, 제1 지그 블록 제어 유닛(130)은 제1 지그 블록(110)에 연결되어 회전운동을 하는 것으로, 상면 부재를 관통하며 제1 지그 블록(110)과 연결되되 외주면에 나사선이 구비된 회전축을 구비하는 형태로 구현될 수 있으나, 제1 지그 블록(110)을 상하 방향으로 이동시킬 수 있는 수단이라면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 회전축의 회전 운동 시에도 제1 지그 블록(110)은 회전하지 않고 상하 운동만을 할 수 있도록 하기 위해 회전축과 제1 지그 블록(110)의 연결부위에는 베어링 구조가 적용될 수도 있다.

한편, 상기 하우징 구조는 상면 부재(140), 측면 부재(150) 및 하면 부재(160)를 포함한다. 구체적으로, 하우징 구조는 상면 부재(140), 상기 상면 부재(140)를 지지하는 제1, 2 측면 부재(151, 152), 제1, 2 측면 부재(151, 152)의 하단과 결합되는 하면 부재(160)를 포함한다.

또한, 상면 부재(140)와 제1 측면 부재(151)는 힌지(170)에 의해서 서로 연결된다. 구체적으로, 힌지(170)는 상면 부재(140)의 일측단과 제1 측면 부재(151)의 외측면에 결합된다. 상기 힌지 결합에 의해 상면 부재(140)가 힌지축을 중심으로 회동되어 하우징 구조를 개방시킨다. 그리고, 상면 부재(140)가 개방된 상태에서 전지셀의 전극 탭을 제2 지그 블록(120) 상에 위치시킨 후, 상면 부재(140)를 폐쇄하고, 제1 지그 블록 제어 유닛(130)으로 제1 지그 블록(110)을 가압함으로써, 전극 탭을 고정할 수 있다.

(제2 실시형태)

도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지셀 충방전 지그를 나타내는 정면도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 충방전 지그(200)는, 전지셀의 전극 탭 일면을 가압하는 제1 지그 블록(210); 전극 탭의 일면과 대향하는 타면을 가압하는 제2 지그 블록(220); 제1 지그 블록(210)과 연결되어 제1 지그 블록(210)을 상기 전극 탭의 상기 일면을 향하여 이동시키는 제1 지그 블록 제어 유닛(230); 제1 지그 블록 제어 유닛(230)이 관통하는 관통홀이 형성된 상면 부재(240); 상면 부재(240)를 지지하는 제1 측면 부재(251) 및 제2 측면 부재(252); 및 상면 부재(240)가 제1 측면 부재(251)로부터 회동 되도록 제1 측면 부재(251)와 상면 부재(240)를 서로 연결하는 힌지(270)를 포함한다.

상기 전지셀 충방전 지그(200)는 하우징 구조를 포함하며, 상기 제1 및 제2 지그 블록(210, 220)은 상기 하우징 구조 내에 위치한다. 상기 제1 지그 블록(210)의 이동은 제1 지그 블록 제어 유닛(230)에 의해 수행된다. 상기 제1 지그 블록 제어 유닛(230)은 상면 부재에 형성된 홀을 통해 제1 지그 블록(210)과 접촉하는 구조이고, 나사선 회전에 의해 제1 지그 블록(210)을 가압하게 된다.

구체적으로, 제1 지그 블록 제어 유닛(230)은 제1 지그 블록(210)에 연결되어 회전운동을 하는 것으로, 상면 부재를 관통하며 제1 지그 블록(210)과 연결되되 외주면에 나사선이 구비된 회전축을 구비하는 형태로 구현될 수 있으나, 제1 지그 블록(210)을 상하 방향으로 이동시킬 수 있는 수단이라면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 회전축의 회전 운동 시에도 제1 지그 블록(210)은 회전하지 않고 상하 운동만을 할 수 있도록 하기 위해 회전축과 제1 지그 블록(210)의 연결부위에는 베어링 구조가 적용될 수도 있다.

한편, 상기 하우징 구조는 상면 부재(240), 측면 부재(250) 및 하면 부재(260)를 포함한다. 구체적으로, 하우징 구조는 상면 부재(240), 상기 상면 부재(240)를 지지하는 제1, 2 측면 부재(251, 252), 제1, 2 측면 부재(251, 252)의 하단과 결합되는 하면 부재(260)를 포함한다.

또한, 상면 부재(140)와 제1 측면 부재(251)는 힌지(270)에 의해서 서로 연결된다. 구체적으로, 힌지(270)는 상면 부재(240)의 일측단과 제1 측면 부재(251)의 외측면에 결합된다. 상기 힌지 결합에 의해 상면 부재(240)가 힌지축을 중심으로 회동되어 하우징 구조를 개방시킨다. 그리고, 상면 부재(240)가 개방된 상태에서 전지셀의 전극 탭을 제2 지그 블록(220) 상에 위치시킨 후, 상면 부재(240)를 폐쇄하고, 제1 지그 블록 제어 유닛(230)으로 제1 지그 블록(210)을 가압함으로써, 전극 탭을 고정할 수 있다.

이때, 제1 지그 블록 제어 유닛(230)으로 제1 지그 블록(210)을 가압하여 전극 탭을 고정하는 경우, 제1 지그 블록(210)과 제 2 지그 블록(220) 사이에서 발생하는 반발력에 의하여 상면 부재(240)의 타측과 제2 측면 부재(240)의 상부의 간격이 벌어질 수 있는데, 상기 체결수단(280)은 이를 방지하기 위함이다. 상기 체결수단(280)은 토글 클램프(toggle clamp)이다. 구체적인 예에서, 상면 부재를 폐쇄한 후 체결수단으로 상면 부재(240)의 타측과 제2 측면 부재(252)의 외측면을 결합하여 하우징 구조를 폐쇄시킨 후 제1 지그 블록 제어 유닛(230)으로 제1 지그 블록(210)을 가압하여 전극 탭을 고정한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

10: 제1 지그 블록 20: 제2 지그 블록
30: 제1 지그 블록 제어 유닛 40: 상면 부재
50: 측면 부재
100, 200: 전지셀 충방전 장치
110, 210: 제1 지그 블록
120, 220: 제2 지그 블록
130, 230: 제1 지그 블록 제어 유닛
140, 240: 상면 부재
150, 250: 측면 부재
151, 251: 제1 측면 부재 152, 252: 제2 측면 부재
160, 260: 하면 부재
170, 270: 힌지
280: 체결수단

Claims (13)

1. 전지셀의 전극 탭 일면을 가압하는 제1 지그 블록;
   상기 전극 탭의 일면과 대향하는 타면을 가압하는 제2 지그 블록;
   상기 제1 지그 블록과 연결되어 상기 제1 지그 블록을 상기 전극 탭의 상기 일면을 향하여 이동시키는 제1 지그 블록 제어 유닛;
   상기 제1 지그 블록 제어 유닛이 관통하는 관통홀이 형성된 상면 부재;
   상기 상면 부재를 지지하는 제1 측면 부재 및 제2 측면 부재; 및
   상기 상면 부재가 상기 제1 측면 부재로부터 회동되도록 상기 제1 측면 부재와 상기 상면 부재를 서로 연결하는 힌지를 포함하는 전지셀 충방전 지그.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 힌지는 상기 상면 부재의 일측단과 상기 제1 측면 부재의 외측면에 결합되는 전지셀 충방전 지그.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 지그 블록의 하단에 하면 부재를 더 포함하며, 상기 하면 부재는 상기 제1 측면 부재의 하단 및 상기 제2 측면 부재의 하단과 결합되는 전지셀 충방전 지그.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 측면 부재와 상기 상면 부재를 체결하는 체결수단을 더 포함하는 전지셀 충방전 지그.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 체결수단은 고정용 걸쇠와 고정용 걸쇠에 체결되는 고리 또는 링 형상의 부재를 포함하거나, 고정 핀 형태의 부재를 포함하는 전지셀 충방전 지그.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 지그 블록 및 상기 제2 지그 블록은 전기적으로 서로 연결되어 있는 전지셀 충방전 지그.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 측면 부재 및 상기 제2 측면 부재는 절연성 소재이며,
   상기 제1 지그 블록 및 상기 제2 지그 블록은 전도성 소재인 전지셀 충방전 지그.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제1 지그 블록 및 상기 제2 지그 블록은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 포함하는 전지셀 충방전 지그.
9. 제 1 항에 따른 전지셀 충방전 지그를 포함하는 전지셀 충방전 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    한 쌍의 전지셀 충방전 지그를 포함하는 전지셀 충방전 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전지셀 충방전 지그는 동일 방향으로 나란히 배향된 구조이거나, 서로 마주보는 형태로 배열된 구조인 전지셀 충방전 장치.
12. 제 9 항에 있어서,
    전지셀의 전극 탭과 전기적으로 연결되는 충방전부를 더 포함하는 전지셀 충방전 장치.
13. 제1 및 제2 지그 블록 사이에 전극 탭을 고정한 상태에서 전지셀을 충방전하는 단계를 포함하는 제 9 항에 따른 전지셀 충방전 장치를 이용한 전지 셀의 충방전 방법.
    

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