KR20220045915A - 전지 케이스 성형 장치, 성형 방법 및 전지 케이스 - Google Patents
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Abstract
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치는 상면에 파우치 필름이 안착되고, 상기 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 적어도 하나의 성형 공간를 포함하는 다이; 및 상기 성형 공간의 상방에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름을 상기 성형 공간에 삽입하며 성형하는 펀치를 포함하되, 상기 다이는, 상기 상면이 적어도 하나의 다이 경사면을 포함한다.
Description
본 발명은 전지 케이스 성형 장치, 성형 방법 및 전지 케이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파우치 필름을 성형하여 컵부를 형성할 때, 제1 케이스와 제2 케이스를 일체로 연결하는 폴딩부 측에 형성된 컵부의 외벽이 수직에 가까워지도록 성형하는 전지 케이스 성형 장치, 성형 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.
이러한 이차 전지를 제조하기 위해, 먼저 전극 활물질 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(Electrode Assembly)를 형성한다. 그리고 전지 케이스에 전극 조립체를 수납하고 전해액 주입 후 실링한다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다.
파우치 형 이차 전지의 케이스인 파우치는, 유연성을 가지는 파우치 필름에 프레스 가공을 수행하여, 컵부를 형성함으로써 제조된다. 그리고, 컵부가 형성되면, 상기 컵부의 수용 공간에 전극 조립체를 수납하고 사이드를 실링하여 이차 전지를 제조한다.
이러한 프레스 가공 중에서 드로잉(Drawing) 성형은 프레스 장비와 같은 성형 장치에 파우치 필름을 삽입하고 펀치로 파우치 필름에 압력을 인가하여, 파우치 필름을 연신시킴으로써 수행된다. 그런데 다이의 성형 공간 내벽과 펀치의 외벽 사이에는 클리어런스가 존재하므로, 파우치 형 전지 케이스에서 컵부의 외벽이 경사를 가지며 형성된다. 따라서, 컵부의 외벽과 전극 조립체 사이의 공간이 증가하는 문제가 있다. 특히, 전지 케이스의 제1 케이스와 제2 케이스를 서로 일체로 연결하는 폴딩부 측에 형성된 컵부의 외벽이 경사를 가지면, 추후에 디가싱 공정에서 컵부의 외벽이 변형되면서, 폴딩부 측 펀치 엣지가 외부로 돌출되며 높이가 높아지는 엣지 하이(Edge High) 형상이 발생할 수 있었다. 이러한 엣지 하이 현상에 의해 이차 전지의 불필요한 두께가 증가하여 부피 대비 에너지 밀도도 저하되는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 파우치 필름을 성형하여 컵부를 형성할 때, 제1 케이스와 제2 케이스를 일체로 연결하는 폴딩부 측에 형성된 컵부의 외벽이 수직에 가까워지도록 성형하는 전지 케이스 성형 장치, 성형 방법 및 전지 케이스를 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 전지 케이스 성형 장치는 상면에 파우치 필름이 안착되고, 상기 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 적어도 하나의 성형 공간를 포함하는 다이; 및 상기 성형 공간의 상방에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름을 상기 성형 공간에 삽입하며 성형하는 펀치를 포함하되, 상기 다이는, 상기 상면이 적어도 하나의 다이 경사면을 포함한다.
또한, 상기 다이 경사면은, 상기 펀치가 하강하는 방향과 경사를 가질 수 있다.
또한, 상기 성형 공간은, 상기 다이 경사면으로부터 상기 다이의 내측으로 함몰 형성될 수 있다.
또한, 상기 다이 경사면은, 제1 다이 경사면 및 제2 다이 경사면을 포함하고, 상기 제1 다이 경사면 및 상기 제2 다이 경사면은, 서로 대칭으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 다이 경사면 및 상기 제2 다이 경사면은, 서로에게 인접할수록 하방을 향하는 경사를 가질 수 있다.
또한, 상기 성형 공간은, 상기 제1 다이 경사면으로부터 상기 다이의 내측으로 함몰 형성된 제1 성형 공간; 및 상기 제2 다이 경사면으로부터 상기 다이의 내측으로 함몰 형성된 제2 성형 공간을 포함할 수 있다.
또한, 상기 다이는, 상기 제1 성형 공간 및 상기 제2 성형 공간의 사이에 형성된 격벽을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 격벽은 하부로 갈수록 두께가 두껍게 형성되고, 상기 격벽에 의해 형성된 성형 공간의 내벽은 경사를 가질 수 있다.
또한, 상기 펀치는, 상기 격벽에 대응되는 위치에, 상기 격벽이 삽입되는 홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 펀치는, 상기 파우치 필름을 상기 제1 성형 공간에 삽입하는 제1 성형부; 및 상기 파우치 필름을 상기 제2 성형 공간에 삽입하는 제2 성형부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 다이는, 상기 상면이, 상기 다이 경사면의 적어도 일단으로부터 연장되며 상기 펀치가 하강하는 방향과 수직인 다이 수평면을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 펀치는, 상기 파우치 필름에 직접 접촉하는 성형부가, 상기 다이 경사면과 동일한 경사를 가질 수 있다.
또한, 상기 다이의 상방에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름을 사이에 두고 상기 다이와 맞닿으며, 상기 파우치 필름을 고정시키는 스트리퍼를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 스트리퍼는, 하면이, 상기 다이 경사면과 맞닿으며 상기 다이 경사면과 동일한 경사를 가지는 적어도 하나의 스트리퍼 경사면을 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전지 케이스 성형 방법은 다이의 상면에 파우치 필름을 안착하는 단계; 상기 다이의 상기 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간의 상방에 배치된 펀치가, 상기 상면의 적어도 일부와 경사를 가지는 방향으로 하강하는 단계; 및 상기 펀치가 상기 파우치 필름을 상기 성형 공간에 삽입하며, 상기 파우치 필름에 컵부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 펀치가 하강하는 단계에 있어서, 상기 다이는, 상기 상면이 적어도 하나의 다이 경사면을 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전지 케이스는, 제1 케이스 또는 제2 케이스 중 적어도 하나에 형성되며, 바닥부 일 면의 가장자리를 따라 외벽이 형성되어 전극 조립체의 수용 공간이 마련되는 컵부 및 상기 컵부의 일 측에서 폴딩되어 상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스를 일체로 연결하는 폴딩부를 포함하고, 상기 외벽은 상기 바닥부 일 면의 가장자리 중 상기 폴딩부 측에 형성되는 제1 외벽, 상기 제1 외벽의 반대 측에 형성되는 제2 외벽, 상기 제1 외벽과 상기 제2 외벽을 연결하도록 형성되는 제3 외벽 및 상기 제3 외벽의 반대 측에 형성되는 제4 외벽을 포함하고, 상기 제1 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각은 90° 내지 95°로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각은 상기 제1 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 제2 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각은 상기 제1 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각보다 적어도 10° 이상 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
폴딩부 측에 형성된 컵부의 외벽의 바닥부로부터의 경사각이 더욱 감소하여 수직에 가깝게 형성될 수 있고, 그럼으로써 전극 조립체가 컵부의 외벽에 매우 가까이 위치할 수 있으므로, 컵부의 불필요한 부피가 감소할 수 있다.
또한, 디가싱 공정에서 컵부의 내부 압력이 감소하더라도, 컵부의 외벽 또는 바닥부가 변형되는 것을 방지하여 엣지 하이 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배트 이어의 크기를 감소시킬 수 있고, 배트 이어의 형상이 도드라지는 문제도 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 전지(1)의 조립도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름(135)의 단면도이다.
도 3은 종래의 전지 케이스 성형 장치(4)의 사시도이다.
도 4는 종래의 전지 케이스 성형 장치(4)의 개략도이다.
도 5는 종래의 펀치(43)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 6은 종래의 컵부(333)의 펀치 엣지(3334)의 부분 확대도이다.
도 7은 종래의 이차 전지(3)의 폴딩부(339)의 부분 확대도이다.
도 8은 종래의 이차 전지(3)를 상방에서 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름(135)에 프레스 가공을 수행하여 전지 케이스(13)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2)의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2)의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트리퍼(22)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 펀치(23)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 컵부(133)의 펀치 엣지(1334)의 부분 확대도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 폴딩부(139)의 부분 확대도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 상방에서 나타낸 개략도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2a)의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2a)의 개략도이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트리퍼(22a)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 펀치(23a)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컵부(133a)의 펀치 엣지(1334a)의 부분 확대도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름(135)의 단면도이다.
도 3은 종래의 전지 케이스 성형 장치(4)의 사시도이다.
도 4는 종래의 전지 케이스 성형 장치(4)의 개략도이다.
도 5는 종래의 펀치(43)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 6은 종래의 컵부(333)의 펀치 엣지(3334)의 부분 확대도이다.
도 7은 종래의 이차 전지(3)의 폴딩부(339)의 부분 확대도이다.
도 8은 종래의 이차 전지(3)를 상방에서 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름(135)에 프레스 가공을 수행하여 전지 케이스(13)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2)의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2)의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트리퍼(22)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 펀치(23)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 컵부(133)의 펀치 엣지(1334)의 부분 확대도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 폴딩부(139)의 부분 확대도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 상방에서 나타낸 개략도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2a)의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2a)의 개략도이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트리퍼(22a)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 펀치(23a)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컵부(133a)의 펀치 엣지(1334a)의 부분 확대도이다.
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 조립도이다.
전극 조립체(10)는 전극 및 분리막을 교대로 적층하여 형성한다. 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극 등의 전극들을 제조한다. 그리고 분리막(Separator)들을 전극들 사이에 적층하여 전극 조립체(10)를 형성하고, 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 삽입하고 전해질 주입 후 실링한다.
구체적으로, 전극 조립체(Electrode Assembly, 10)는 양극 및 음극 두 종류의 전극과, 상기 전극들을 상호 절연시키기 위해 전극들 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 이러한 전극 조립체(10)는 스택형, 젤리롤형, 스택 앤 폴딩형 등이 있다. 두 종류의 전극, 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)로부터 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 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출되는 등 다양한 방향을 향해 돌출 형성될 수도 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 이차 전지(1)의 외부로 전기를 공급하는 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 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)가 열 융착되는 사이드(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 일단이 상기 전극 탭(11)과 연결되고 타단이 상기 전지 케이스(13)의 외부로 각각 돌출된다. 즉, 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 전극 조립체(10)를 내부에 수납하는, 유연성의 재질로 제조된 파우치이다. 이하, 전지 케이스(13)는 파우치인 것으로 설명한다. 펀치(23, 도 10에 도시됨) 등을 이용하여 유연성을 가지는 파우치 필름(135)을 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(1331)을 포함하는 컵부(133)가 형성됨으로써, 전지 케이스(13)가 제조된다.
전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)를 포함한다. 제1 케이스(131)에는 컵부(133)가 형성되어 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(1331)이 마련되고, 제2 케이스(132)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(1331)을 상방에서 커버한다. 제1 케이스(131)와 제2 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.
파우치 필름(135)에 컵부(133)를 성형할 때, 하나의 파우치 필름(135)에 하나의 컵부(133)만이 형성될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 하나의 파우치 필름(135)에 두 개의 컵부(133)를 서로 이웃하게 드로잉 성형할 수도 있다. 그러면 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)에는 각각 컵부(133)가 형성된다. 이 때, 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)에 형성된 각각의 컵부(133)는, 서로 깊이(D)가 동일할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 깊이(D)가 상이할 수도 있다. 제1 케이스(131)의 컵부(133)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)를 수납한 후에, 두 개의 컵부(133)가 서로 마주보도록 전지 케이스(13)에서 두 컵부(133)의 사이에 형성된 브릿지(136)를 중심으로 전지 케이스(13)를 폴딩할 수 있다. 그러면 제2 케이스(132)의 컵부(133)가 전극 조립체(10)를 상방에서도 수용한다. 따라서, 두 개의 컵부(133)가 하나의 전극 조립체(10)를 수용하므로, 컵부(133)가 하나일 때보다 두께가 더 두꺼운 전극 조립체(10)도 수용할 수 있다. 또한, 전지 케이스(13)가 폴딩됨으로써 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)가 서로 일체로 연결되므로, 추후에 실링 공정을 수행할 때 실링할 사이드(134)의 개수가 감소할 수 있다. 따라서, 공정 속도를 향상시킬 수 있고, 실링 공정 수도 감소시킬 수도 있다.
한편 전지 케이스(13)는 전극 조립체(10)를 수용하는 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133), 컵부(133)의 측부에 형성되어 디가싱 홀(H)을 통해 상기 컵부(133)의 내부에 생성되는 가스를 배출하는 디가싱부(137)를 포함할 수 있다. 전지 케이스(13)의 컵부(133)에 전극 조립체(10)를 수납하고 전해액을 주입한 후 활성화 공정을 수행하면, 전지 케이스(13)의 내부에서 가스가 발생한다. 이러한 가스를 외부로 배출하기 위해 디가싱부(137)에 디가싱 홀을 타공하여 디가싱 공정을 수행한 후, 디가싱부(137)를 실링하고 절단하여 제거할 수 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 제1 케이스(131)의 컵부(133)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 제2 케이스(132)가 상기 공간을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해질을 주입하고 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)의 컵부(133)의 외측으로 연장 형성된 사이드(134)를 실링한다. 전해질은 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. 나아가, 전해질은 황화물계, 산화물계 또는 폴리머계의 고체 전해질을 포함할 수도 있고, 이러한 고체 전해질은 외력에 의해 쉽게 변형되는 유연성을 가질 수도 있다. 이와 같은 방법을 통해, 파우치 형 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름(135)의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 전지 케이스(13)인 파우치는 파우치 필름(135)을 드로잉(Drawing) 성형하여 제조된다. 즉, 파우치 필름(135)을 펀치(23) 등으로 연신시켜 컵부(133)를 형성함으로써 제조된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 파우치 필름(135)은 도 2에 도시된 바와 같이, 실란트층(Sealant Layer, 1351), 수분 배리어층(Moisture Barrier Layer, 1352) 및 표면 보호층(Surface Protection Layer, 1353)을 포함한다.
실란트층(1351)은 제1 폴리머로 제조되고, 최내층에 형성되어 전극 조립체(10)와 직접 접촉할 수 있다. 여기서 최내층이란, 상기 수분 배리어층(1352)을 기준으로 전극 조립체(10)가 위치하는 방향으로 향할 때 가장 마지막에 위치한 층을 말한다. 전지 케이스(13)는 상기와 같은 적층 구조의 파우치 필름(135)을, 펀치(23) 등을 이용하여 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(1331)을 포함하는 컵부(133)를 형성하면서 제조된다. 그리고, 이러한 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 내부에 수용되면 전해질을 주입한다. 그 후에 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)를 서로 마주보도록 접촉시키고, 사이드(134)에 열 압착을 하면 실란트층(1351)끼리 접착됨으로써 전지 케이스(13)가 실링된다. 이 때, 실란트층(1351)은 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 전해질과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층(1351)끼리 접착된 사이드(134)는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트층(1351)을 제조하는 제1 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 주로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트층(1351)을 제조하는데 주로 사용된다. 나아가, 무연신 폴리프로필렌(Cated Polypropylene) 또는 산처리된 폴리프로필렌(Acid Modified Polypropylene) 또는 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체로 구성될 수도 있다. 여기서 산처리된 폴리프로필렌은 MAH PP(말레익 안하이드라이드 폴리프로필렌)일 수 있다. 또한, 실란트층(1351)은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 갖거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.
수분 배리어층(1352)은 표면 보호층(1353) 및 실란트층(1351)의 사이에 적층되어 파우치의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지(1) 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며, 전해질의 누수를 방지한다. 수분 배리어층(1352)은 금속으로 제조되며, 특히 알루미늄 합금을 포함하는 금속으로 제조될 수 있다. 알루미늄은 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체(10)와 전해질에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 확보할 수 있다. 알루미늄 합금에는 다양한 소재가 포함될 수 있다. 예를 들어, 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이 포함될 수 있다. 이 때 상기 수분 배리어층(1352)을 철이 함유된 재질로 제조할 경우에는 기계적 강도가 향상되고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 향상되므로, 각각의 특성을 고려하여 사용될 수 있을 것이다.
표면 보호층(1353)은 제2 폴리머로 제조되고, 최외층에 형성되어 외부와의 마찰 및 충돌로부터 이차 전지(1)를 보호하면서, 전극 조립체(10)를 외부로부터 전기적으로 절연시킨다. 여기서 최외층이란, 상기 수분 배리어층(1352)을 기준으로 전극 조립체(10)가 위치하는 방향의 반대 방향으로 향할 때 가장 마지막에 위치한 층을 말한다. 이러한 표면 보호층(1353)을 제조하는 제2 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 특히, 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리머가 사용되는 것이 바람직하다. 그리고 표면 보호층(1353)은 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가지거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
한편, PET는 저렴하고 내구성이 뛰어나며 전기 절연성이 우수하나, 상기 수분 배리어층(1352)으로 자주 사용되는 알루미늄과 접착성도 약하고, 응력을 인가하여 연신될 때의 거동도 서로 상이하다. 따라서, 표면 보호층(1353)과 수분 배리어층(1352)을 직접 접착하면, 드로잉 성형 도중에 표면 보호층(1353)과 수분 배리어층(1352)과 박리될 수도 있다. 그럼으로써, 수분 배리어층(1352)이 균일하게 연신되지 않아, 성형성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 케이스(13)는 제3 폴리머로 제조되고, 표면 보호층(1353) 및 수분 배리어층(1352) 사이에 적층되는 연신 보조층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 연신 보조층은 표면 보호층(1353) 및 수분 배리어층(1352) 사이에 적층되어, 표면 보호층(1353)과 수분 배리어층(1352)이 연신될 때 박리되는 것을 방지한다. 이러한 연신 보조층을 제조하는 제3 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 특히, 나일론(Nylon) 수지는 표면 보호층(1353)의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와는 접착이 용이하고, 수분 배리어층(1352)의 알루미늄 합금과는 연신될 때의 거동이 유사하므로, 제3 폴리머로는 주로 나일론(Nylon) 수지가 사용되는 것이 바람직하다. 그리고 연신 보조층은 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가지거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
도 3은 종래의 전지 케이스 성형 장치(4)의 사시도이고, 도 4는 종래의 전지 케이스 성형 장치(4)의 개략도이다.
종래의 전지 케이스 성형 장치(4)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상면(412)에 파우치 필름(135)이 안착되고, 상기 상면(412)으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간(411)을 포함하는 다이(41); 상기 다이(41)의 상방에 배치되고, 하강하면 상기 파우치 필름(135)을 사이에 두고 상기 다이(41)와 맞닿으며, 상기 파우치 필름(135)을 고정시키는 스트리퍼(42); 및 상기 성형 공간(411)의 상방 및 상기 스트리퍼(42)의 중심부에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름(135)을 상기 성형 공간(411)에 삽입하며 성형하는 펀치(43)를 포함한다.
먼저 도 4에 도시된 바와 같이, 다이(41)는 상면(412)에 유연성을 가지는 파우치 필름(135)이 안착된다. 이 때, 추후에 컵부(333)가 형성될 영역에 상기 성형 공간(411)이 위치하도록 다이(41)의 상면(412)에 파우치 필름(135)을 안착시킨다. 종래에는 다이(41)의 상면(412)이 지표면과 수평으로 형성되었다. 따라서, 파우치 필름(135)도 다이(41)의 상면(412)에 지표면과 수평으로 안착되었다.
도 5는 종래의 펀치(43)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스트리퍼(42)는 다이(41)의 상방에 배치되어, 상기 다이(41)의 상면(412)에 파우치 필름(135)이 안착되면 하강한다. 그리고 상기 파우치 필름(135)을 사이에 두고, 다이(41)와 맞닿으며 파우치 필름(135)을 상방으로부터 압박하여 고정한다.
펀치(43)는 일정 압력 및 속도로 하강하여, 다이(41)에 안착된 파우치 필름(135)의 상면에 압력을 인가하여 파우치 필름(135)을 연신시킨다. 그럼으로써, 파우치 필름(135)에 컵부(333)가 형성되어 파우치 형 전지 케이스(33)가 제조될 수 있다.
펀치(43)는 다이(41)의 성형 공간(411)과 형상 및 크기가 대응된다. 여기서 형상이 대응된다는 것은, 펀치(43)가 다이(41)의 성형 공간(411)과 동일하거나 유사한 형상을 가져, 추후에 파우치 필름(135)을 연신시켜 컵부(333)가 형성되면, 컵부(333)는 펀치(43) 및 다이(41)의 성형 공간(411)과 동일하거나 유사한 형상으로 형성된다는 것을 의미한다. 그리고, 크기가 대응된다는 것은, 펀치(43)가 파우치 필름(135)과 함께 다이(41)의 성형 공간(411)으로 삽입되며 파우치 필름(135)을 연신시키므로, 펀치(43)가 다이(41)의 성형 공간(411)보다 클리어런스(CL)만큼 미세하게 작다는 것을 의미한다.
클리어런스(CL)란, 다이(41)의 성형 공간(411) 내벽(414)과 펀치(43)의 외벽(3333) 사이의 수평 거리를 지칭한다. 실제로 다이(41)의 성형 공간(411)과 펀치(43)는 클리어런스(CL)만큼 미세한 크기의 차이가 있다. 만약 이러한 클리어런스(CL)가 과도하게 작다면, 성형 공간(411)의 내벽(414)과 펀치(43)의 외벽(432) 사이의 거리가 과도하게 작게 된다. 그러면 파우치 필름(135)이 성형 공간(411)으로 삽입될 수가 없거나, 마찰이 크게 발생하여 파우치 필름(135)이 손상될 수 있다.
종래에는 스트리퍼(42)의 하면(422)과 펀치(43)의 성형부(431)도 모두 지표면과 수평으로 형성되었다. 따라서, 파우치 필름(135)을 성형하여 컵부(333)가 형성되면, 컵부(333)의 바닥부(3332)도 지표면과 수평으로 형성되었다.
도 6은 종래의 컵부(333)의 펀치 엣지(3334)의 부분 확대도이다.
전지 케이스(33)에서 컵부(333)의 엣지는 펀치 엣지(3334), 다이 엣지, 두께 엣지 등 다양한 종류의 엣지를 포함한다. 그 중에서 펀치 엣지(3334)는 펀치(43)의 엣지에 대응되어 형성되며, 컵부(333)의 주변을 포위하는 복수의 외벽(3333)과 바닥부(3332)를 각각 연결한다.
다이(41)의 성형 공간(411) 내벽(414)과 펀치(43)의 외벽(432) 사이의 수평 거리인 클리어런스(CL)는, 전지 케이스(33)에서 컵부(333)의 외벽(3333) 상단과, 펀치 엣지(3334) 및 컵부(333)의 외벽(3333)의 경계점 사이의 수평 거리로 나타날 수 있다. 그런데 상기 기술한 바와 같이, 이러한 클리어런스(CL)가 클수록 파우치 형 전지 케이스(33)에서 컵부(333)의 외벽(3333)은 바닥부(3332)로부터의 경사각(C)이 커져, 컵부(333)의 외벽(3333)과 전극 조립체(10) 사이의 공간이 증가하는 문제가 있다. 실제로는 이러한 클리어런스(CL)를 최소화 하더라도, 종래에는 컵부(333)의 외벽(3333)의 바닥부(3332)로부터의 경사각(C)을 95°이하로, 수직에 가깝게 성형하는 데에 한계가 있었다.
도 7은 종래의 이차 전지(3)의 폴딩부(339)의 부분 확대도이고, 도 8은 종래의 이차 전지(3)를 상방에서 나타낸 개략도이다.
한편, 이차 전지(3)에 디가싱 공정을 수행하면 가스가 전지 케이스(33)의 내부로부터 외부로 배출되면서 컵부(333)의 내부 압력이 감소한다. 따라서 종래에는 컵부(333)의 내부 압력이 감소하면서 컵부(333)의 외벽(3333)과 전극 조립체(10) 사이의 공간의 부피도 감소하기 위해, 컵부(333)의 외벽(3333) 또는 바닥부(3332)가 변형될 수 있었다. 특히, 도 7에 도시된 바와 같이, 이차 전지(3)의 폴딩부(339) 측 외벽(3333)이 내측으로 함몰되면서, 컵부(333)의 폴딩부(339) 측 펀치 엣지(3334)가 외부로 돌출되며 높이가 높아지는, 엣지 하이(Edge High) 현상이 발생할 수 있었다. 이러한 엣지 하이 현상에 의해 이차 전지(3)의 불필요한 두께가 증가하여, 부피 대비 에너지 밀도가 저하되는 문제가 있었다. 또한, 컵부(333)의 폴딩부(339) 측 외벽(3333)이 변형되므로, 이차 전지(3)의 외관이 미려하지 않아서 상품성도 저하되는 문제도 있었다.
나아가 도 8에 도시된 바와 같이 엣지 하이 현상에 의해 배트 이어(35)의 크기가 더욱 증가하고 형상이 도드라지는 문제도 있었다. 배트 이어(35)란 폴딩부(339)의 양 단 일부에서 외측으로 돌출되면서 가시적으로 나타나는 부분이다. 이러한 배트 이어(35)의 크기가 크게 형성되면, 이차 전지(3)의 불필요한 부피가 더 증가하므로, 이차 전지(3)의 형상 및 크기의 설계 값과 실제 값에서 오차가 발생하였다. 따라서, 이차 전지(3)들을 전지 모듈(미도시)에 조립할 때 조립이 용이하지 않고, 이러한 배트 이어(35)를 고려하여 처음부터 이차 전지(3)의 크기를 작게 설계해야 하는 문제가 있었다. 또한, 이차 전지(3)의 부피를 증가시키므로, 부피 대비 에너지 밀도가 감소하는 문제도 있었다. 나아가 이차 전지(3)를 전지 모듈의 하우징(미도시)에 수납하면 배트 이어(35)가 하우징과 폴딩부(339) 사이를 크게 이격시켜, 이차 전지(3)의 냉각 효율이 저하되는 문제도 있었다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름(135)에 프레스 가공을 수행하여 전지 케이스(13)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컵부(133)의 외벽(1333)의 바닥부(1332)로부터의 경사각이 더욱 감소하여 수직에 가깝게 형성될 수 있고, 그럼으로써 전극 조립체(10)가 컵부(133)의 외벽(1333)에 매우 가까이 위치할 수 있으므로, 컵부(133)의 불필요한 부피가 감소할 수 있다. 또한, 디가싱 공정에서 컵부(133)의 내부 압력이 감소하더라도, 컵부(133)의 외벽(1333) 또는 바닥부(1332)가 변형되는 것을 방지하여 엣지 하이 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배트 이어(15)의 크기를 감소시킬 수 있고, 배트 이어(15)의 형상이 도드라지는 문제도 방지할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스 성형 방법은 다이(21)의 상면에 파우치 필름(135)을 안착하는 단계(S901); 상기 다이(21)의 상기 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간(211)의 상방에 배치된 펀치(23)가, 상기 상면의 적어도 일부와 경사를 가지는 방향으로 하강하는 단계(S903); 및 상기 펀치(23)가 상기 파우치 필름(135)을 상기 성형 공간(211)에 삽입하며, 상기 파우치 필름(135)에 컵부(133)를 형성하는 단계(S904)를 포함한다.
이하, 도 9에 도시된 흐름도의 각 단계에 대한 내용을 도 10 내지 도 21과 함께 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2)의 사시도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2)의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상면에 파우치 필름(135)이 안착되고, 상기 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간(211)를 포함하는 다이(21); 및 상기 성형 공간(211)의 상방에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름(135)을 상기 성형 공간(211)에 삽입하며 성형하는 펀치(23)를 포함하되, 상기 다이(21)는, 상기 상면이 적어도 하나의 다이 경사면(212)을 포함한다. 또한, 전지 케이스 성형 장치(2)는 상기 다이(21)의 상방에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름(135)을 사이에 두고 상기 다이(21)와 맞닿으며, 상기 파우치 필름(135)을 고정시키는 스트리퍼(22)를 더 포함할 수 있다.
다이(21)는 상면에 유연성을 가지는 파우치 필름(135)을 안착시킨다. 이 때, 컵부(133)가 형성될 영역에 상기 성형 공간(211)이 위치하도록 상기 파우치 필름(135)을 안착시킨다. 다이(21)의 상면은, 펀치(23)가 하강하는 방향과 경사를 가지는 적어도 하나의 다이 경사면(212)을 포함한다. 그리고 다이(21)의 상면은, 다이 경사면(212)의 적어도 일단으로부터 연장되며 상기 펀치(23)가 하강하는 방향과 수직인 다이 수평면(213)을 더 포함할 수도 있다. 이러한 다이 수평면(213)은 펀치(23)가 하강하는 방향과는 수직이나, 지표면과는 수평을 형성할 수 있다. 따라서 파우치 필름(135)이 성형된 후에는 다이 수평면(213)에 안착된 파우치 필름(135)의 일부분은 경사를 가지지 않고 지표면과 수평으로 형성될 수 있다. 추후에 파우치 필름(135)을 용이하게 고정하기 위해, 이러한 다이(21)의 상면에는 격자 무늬 또는 미세한 요철 등이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나의 파우치 필름(135)에 두 개의 컵부(133)를 서로 이웃하게 드로잉 성형할 수도 있다. 즉, 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)에 각각 컵부(133)가 형성될 수 있다. 이를 위해 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 다이 경사면(212)은 제1 다이 경사면(2121) 및 제2 다이 경사면(2122)을 포함하고, 이러한 제1 다이 경사면(2121) 및 제2 다이 경사면(2122)은 서로 대칭으로 형성될 수 있다. 여기서 대칭으로 형성된다는 것은, 제1 다이 경사면(2121) 및 제2 다이 경사면(2122)이 서로 접하는 지점에서 형성되는 라인이 중심축이 되고, 이러한 중심축을 기준으로 대칭으로 형성되는 것을 의미한다. 그리고, 제1 다이 경사면(2121)과 제2 다이 경사면(2122)은 서로 인접할수록 하방을 향하는 경사를 가짐으로써, 다이(21)는 하방으로 오목한 형상을 형성할 수 있다.
다이(21)는 다이(21)의 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 적어도 하나의 성형 공간(211)을 포함한다. 이러한 성형 공간(211)은 추후에 형성될 컵부(133)의 외면과 형상 및 크기가 대응된다. 여기서 형상이 대응된다는 것은, 추후에 펀치(23)가 파우치 필름(135)을 연신시켜 컵부(133)가 형성되면, 컵부(133)가 펀치(23) 및 다이(21)의 성형 공간(211)과 동일하거나 유사한 형상으로 형성된다는 것을 의미한다. 따라서, 컵부(133)의 횡단면이 사각형의 형상을 가진다면, 상기 성형 공간(211)의 횡단면도 사각형의 형상을 가지고, 컵부(133)의 횡단면이 원형의 형상을 가진다면, 상기 성형 공간(211)의 횡단면도 원형의 형상을 가질 수 있다. 그리고 크기가 대응된다는 것은, 펀치(23)가 파우치 필름(135)을 연신시킬 때 펀치(23)와 파우치 필름(135)이 다이(21)의 성형 공간(211)으로 함께 삽입되므로, 컵부(133)의 형상은 다이(21)의 성형 공간(211)보다 미세하게 작다는 것을 의미한다. 그리고 성형 공간(211)은 상기 펀치(23)가 하강하는 방향과 나란한 방향으로 형성된다. 따라서, 성형 공간(211) 내부로 삽입된 펀치(23)는, 하강하던 방향으로 계속 하강하면 성형 공간(211)을 따라 이동하게 되고, 파우치 필름(135)은 이러한 펀치(23)가 이동하는 방향으로 성형된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 성형 공간(211)은 다이 경사면(212)으로부터 다이(21)의 내측으로 함몰 형성되며, 제1 다이 경사면(2121)으로부터 다이(21)의 내측으로 함몰 형성된 제1 성형 공간(2111), 제2 다이 경사면(2122)으로부터 상기 다이(21)의 내측으로 함몰 형성된 제2 성형 공간(2112)을 포함한다. 그리고 다이(21)는 제1 성형 공간(2111)과 제2 성형 공간(2112)의 사이에 형성된 격벽(215)을 더 포함한다. 파우치 필름(135)이 성형되면, 전지 케이스(13)에는 이러한 격벽(215)에 대응되는 브릿지(136)가 형성된다.
한편, 브릿지(136)는 추후에 전지 케이스(13)를 폴딩할 때, 기준이 되는 부분일 수 있다. 이차 전지(1)의 제조가 완료되면, 브릿지(136)는 이차 전지(1)의 일측에서 폴딩부(139, 도 16에 도시됨)를 형성할 수 있다. 이러한 폴딩부(139)는 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)를 서로 일체로 연결하므로, 추후에 실링 공정을 수행할 때 실링할 사이드(134)의 개수가 감소할 수 있다. 따라서, 공정 속도를 향상시키고, 실링 공정 수도 감소시킬 수도 있다. 이 때, 폴딩부(139)의 폭이 작을수록 컵부(133)의 외벽(1333)과 전극 조립체(10) 사이의 공간도 감소하므로, 이차 전지(1)의 전체 부피가 감소하여 부피 대비 에너지 밀도가 증가할 수 있다.
이러한 폴딩부(139)의 폭은 브릿지(136)의 두께에 비례하고, 브릿지(136)는 격벽(215)에 대응하여 형성되므로, 브릿지(136)의 두께는 격벽(215)의 두께에 비례한다. 따라서, 파우치 필름(135)을 성형할 때에는 브릿지(136)의 두께를 최소화하는 것이 바람직하고, 이를 위해 격벽(215)의 두께도 최소화하는 것이 바람직하다. 그런데 격벽(215)이 두께가 얇은 상태에서 높이가 과도하게 높게 형성된다면, 드로잉 성형하는 과정에서 격벽(215)이 파손될 수 있다. 특히, 종래에는 다이(21)에 바닥이 존재하였으나, 이러한 경우에 펀치(23)가 파우치 필름(135)을 성형할 때 파우치 필름(135)과 성형 공간(211)의 사이에 존재하는 기체가 배출되지 못하는 문제가 있었다. 따라서, 최근에는 이러한 다이(21)에 바닥을 제거함으로써 파우치 필름(135)과 성형 공간(211)의 사이에 존재하는 기체가 용이하게 배출될 수는 있으나, 격벽(215)의 높이가 과도하게 높게 형성되는 문제가 있었다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 도 11에 도시된 바와 같이, 격벽(215)은 하부로 갈수록 두께가 점점 두껍게 형성될 수 있다. 즉, 격벽(215)의 단면의 적어도 일부가 대략 삼각형의 형상을 가지고, 격벽(215)에 형성된 성형 공간(211)의 내벽(214)이 경사를 가질 수 있다. 격벽(215)에 형성된 성형 공간(211)의 내벽(214)의 정확한 경사는 격벽(215)의 상부의 두께, 격벽(215)의 재료, 펀치(23)의 압력, 형성될 컵부(133)의 깊이에 따라 실험적으로 결정될 수 있다.
다만 이에 제한되지 않고, 격벽(215)의 상부는 최소화된 두께를 유지하고 격벽(215)의 하부에 격벽(215)의 두께보다 더 두꺼운 보강부(미도시)가 형성될 수도 있다. 보강부는 전지 케이스(13)에 형성될 컵부(133)의 깊이보다는 하방에 형성되면서, 격벽(215)이 파손되지 않을 정도의 위치에 형성될 수 있다. 보강부의 정확한 위치는 격벽(215)의 상부의 두께, 격벽(215)의 재료, 펀치(23)의 압력, 형성될 컵부(133)의 깊이에 따라 실험적으로 결정될 수 있다. 그럼으로써 격벽(215)의 강도가 증가하여 드로잉 성형하는 과정에서 격벽(215)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
스트리퍼(22)는 다이(21)의 상방에 배치되어, 상기 다이(21)의 상면에 파우치 필름(135)이 안착되면 하강한다. 그리고 상기 파우치 필름(135)을 사이에 두고, 다이(21)와 맞닿으며, 파우치 필름(135)을 상방으로부터 압박하여 고정한다. 여기서 파우치 필름(135)을 사이에 두고 맞닿는다는 것은, 직접적으로 접촉하는 것은 아니지만 파우치 필름(135)을 통해서 간접적으로 접촉한다는 것을 의미한다. 추후에 펀치(23)가 파우치 필름(135)을 성형하면, 스트리퍼(22)는 파우치 필름(135)을 균일하게 압박하여 파우치 필름(135)에 인가되는 연신력을 균일하게 분산시킨다.
스트리퍼(22)의 하면은 파우치 필름(135)을 고정할 때 파우치 필름(135)의 상면과 접촉한다. 따라서, 스트리퍼(22)의 하면은 다이(21)의 상면과 서로 대응되는 형상을 가질 수 있다. 즉, 다이(21)의 상면이 적어도 하나의 다이 경사면(212) 및 상기 다이 경사면(212)의 적어도 일단으로부터 연장되는 다이 수평면(213)을 포함하므로, 이에 대응하여 스트리퍼(22)의 하면은 상기 다이 경사면(212)과 맞닿으며 상기 다이 경사면(212)과 동일한 경사를 가지는 적어도 하나의 스트리퍼 경사면(222) 및 상기 다이 수평면(213)과 맞닿으며 상기 스트리퍼 경사면(222)의 적어도 일단으로부터 연장되는 스트리퍼 수평면(223)을 포함한다.
이러한 스트리퍼(22)의 하면은 파우치 필름(135)을 고정할 때 파우치 필름(135)의 상면과 접촉한다. 그리고 추후에 파우치 필름(135)을 용이하게 고정하기 위해, 이러한 스트리퍼(22)의 하면에는 격자 무늬 또는 미세한 요철 등이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다이 경사면(212)은 서로 대칭으로 형성되는 제1 다이 경사면(2121) 및 제2 다이 경사면(2122)을 포함한다. 따라서, 스트리퍼 경사면(222)도 제1 스트리퍼 경사면(2221) 및 제2 스트리퍼 경사면(2222)을 포함한다. 제1 스트리퍼 경사면(2221)은 파우치 필름(135)을 사이에 두고 제1 다이 경사면(2121)과 서로 맞닿고, 제2 스트리퍼 경사면(2222)은 파우치 필름(135)을 사이에 두고 제2 다이 경사면(2122)과 서로 맞닿는다. 이를 위해, 제1 스트리퍼 경사면(2221)은 제1 다이 경사면(2121)과 동일한 경사를 가지고, 제2 스트리퍼 경사면(2222)은 제2 다이 경사면(2122)과 동일한 경사를 가질 수 있다. 이러한 제1 스트리퍼 경사면(2221) 및 제2 스트리퍼 경사면(2222)도 서로 대칭으로 형성되며, 중심을 향할수록 하방을 향하는 경사를 가질 수 있다.
펀치(23)는 다이(21)의 성형 공간(211)의 상방에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름(135)을 상기 성형 공간(211)에 삽입하며 성형한다. 펀치(23)는 일정 압력 및 속도로 하강한다. 그리고 펀치(23)의 성형 공간(211)에 삽입되면서 펀치(23)의 성형부(231)가 다이(21)에 안착된 파우치 필름(135)의 상면에 직접 접촉하며 압력을 인가하여 파우치 필름(135)을 연신시킨다. 그럼으로써, 파우치 필름(135)에 컵부(133)가 형성되어 파우치가 제조될 수 있다. 스트리퍼(22)의 대략 중심에는 관통부(221)가 형성된다. 그리고, 펀치(23)는 이러한 관통부(221)를 통해 스트리퍼(22)를 관통하며 상하 운동을 한다. 펀치(23)가 상하 운동을 할 때, 상기 관통부(221)의 내벽이 펀치(23)를 가이드하기 위해, 관통부(221)는 펀치(23)와 형상 및 크기가 대응된다. 여기서 형상이 대응된다는 것은, 관통부(221)가 펀치(23)와 동일하거나 유사한 형상을 가져, 펀치(23)가 관통부(221)를 통해 용이하게 상하 운동한다는 것을 의미한다. 그리고 크기가 대응된다는 것은, 관통부(221)의 크기가 펀치(23)의 크기보다 미세하게 크다는 것을 의미한다. 만약 관통부(221)의 크기가 펀치(23)의 크기와 동일하거나 작다면, 펀치(23)가 관통부(221)를 통해 상하 운동을 할 수 없거나, 관통부(221)의 내벽과의 마찰에 의해 펀치(23)가 용이하게 상하 운동을 하지 않을 수 있다. 반대로, 관통부(221)의 크기가 너무 크다면 관통부(221)의 내벽이 펀치(23)를 가이드하지 못하여, 펀치(23)가 정위치를 이탈할 수 있다. 따라서, 관통부(221)의 크기는 펀치(23)가 관통부(221)에 삽입되어 용이하게 상하 운동을 하면서도, 정위치를 이탈하지 않는 적절한 크기를 가지는 것이 바람직하다. 실제로 관통부(221)의 크기는, 형성하려는 컵부(133)의 크기 및 형상에 따라, 실험적으로 결정될 수 있다.
또한, 펀치(23)는 다이(21)의 성형 공간(211)과, 형상 및 크기가 대응된다. 여기서 형상이 대응된다는 것은, 펀치(23)가 다이(21)의 성형 공간(211)과 동일하거나 유사한 형상을 가져, 추후에 파우치 필름(135)을 연신시켜 컵부(133)가 형성되면, 컵부(133)는 펀치(23) 및 다이(21)의 성형 공간(211)과 동일하거나 유사한 형상으로 형성된다는 것을 의미한다. 따라서, 펀치(23)가 사각형의 형상을 가진다면, 다이(21)의 성형 공간(211)도 사각형의 형상을 가져, 컵부(133)도 사각형의 형상으로 형성되고, 펀치(23)가 원형의 형상을 가진다면, 다이(21)의 성형 공간(211)도 원형의 형상을 가져, 컵부(133)도 원형의 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 크기가 대응된다는 것은, 펀치(23)가 파우치 필름(135)과 함께 다이(21)의 성형 공간(211)으로 삽입되며 파우치 필름(135)을 연신하므로, 펀치(23)가 다이(21)의 성형 공간(211)보다 파우치 필름(135)의 두께만큼 미세하게 작다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 기술한 바와 같이, 다이(21)의 성형 공간(211)은 제1 성형 공간(2111)과 제2 성형 공간(2112)을 포함하고, 다이(21)는 제1 성형 공간(2111)과 제2 성형 공간(2112)의 사이에 형성된 격벽(215)을 더 포함한다. 따라서 펀치(23)는 이러한 다이(21)의 형상에 대응되므로, 펀치(23)의 성형부(231)는 파우치 필름(135)을 제1 성형 공간(2111)에 삽입하는 제1 성형부(2311) 및 파우치 필름(135)을 제2 성형 공간(2112)에 삽입하는 제2 성형부(2312)를 포함한다. 그리고 이러한 제1 성형부(2311)와 제2 성형부(2312)의 사이에는, 다이(21)의 격벽(215)에 대응되는 위치에 격벽(215)이 삽입되는 홈이 형성된다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트리퍼(22)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
다이(21)의 상면에 파우치 필름(135)을 안착되면(S901), 도 12에 도시된 바와 같이 스트리퍼(22)가 하강한다(S902). 그리고 스트리퍼(22)의 하면이 파우치 필름(135)의 상면과 접촉하면, 스트리퍼(22)와 다이(21)는 파우치 필름(135)을 사이에 두고 서로 맞닿는다. 그리고, 스트리퍼(22)는 파우치 필름(135)을 상방으로부터 압박하여 고정한다. 그럼으로써 파우치 필름(135)을 균일하게 압박하여, 추후에 컵부(133)가 형성될 때 파우치 필름(135)에 인가되는 연신력을 균일하게 분산시킨다.
이 때, 스트리퍼 경사면(222)과 다이 경사면(212)이 파우치 필름(135)을 사이에 두고 서로 맞닿고, 스트리퍼 수평면(223)과 다이 수평면(213)이 파우치 필름(135)을 사이에 두고 서로 맞닿는다. 따라서, 도 12에 도시된 바와 같이 스트리퍼 경사면(222)과 다이 경사면(212)이 서로 맞닿는 영역의 파우치 필름(135)은 경사를 가지며 형성되고, 스트리퍼 수평면(223)과 다이 수평면(213)이 서로 맞닿는 영역의 파우치 필름(135)은 경사를 가지지 않고 수평으로 형성된다.
특히 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다이 경사면(212)은 서로 대칭으로 형성되는 제1 다이 경사면(2121) 및 제2 다이 경사면(2122)을 포함한다. 그리고 제1 다이 경사면(2121) 및 제2 다이 경사면(2122)은 서로에게 인접할수록 하방을 향하는 경사를 가질 수 있다. 따라서 도 12에 도시된 바와 같이, 스트리퍼 경사면(222)과 다이 경사면(212)이 서로 맞닿는 영역의 파우치 필름(135)은, 양 측이 서로 대칭이며, 중심을 향할수록 하방을 향하는 경사를 가질 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 펀치(23)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
스트리퍼(22)가 파우치 필름(135)을 고정하면, 도 13에 도시된 바와 같이 펀치(23)가 다이(21)의 상면, 특히 다이 경사면(212)과 경사를 가지는 방향으로 하강한다(S903). 그러면 펀치(23)가 파우치 필름(135)과 함께 성형 공간(211)에 삽입되고, 파우치 필름(135)을 연신시킨다(S903). 그럼으로써 파우치 필름(135)이 성형되어 컵부(133)가 형성될 수 있다(S904). 그 후 펀치(23) 및 스트리퍼(22)가 다시 상승하면 컵부(133)가 형성된 파우치 필름(135)을 꺼냄으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 전지 케이스(13)가 제조될 수 있다.
상기 기술한 바와 같이, 펀치(23)의 성형부(231)는 다이(21)에 안착된 파우치 필름(135)의 상면에 직접 접촉하며 압력을 인가하여 파우치 필름(135)을 연신시킨다. 그리고 파우치 필름(135)이 성형되어 컵부(133)가 형성되면, 컵부(133)의 바닥부(1332)는 펀치(23)의 성형부(231)와 대응되는 형상으로 형성된다. 이 때, 펀치(23)의 성형부(231)도 경사를 가지며 형성될 수 있고, 특히 다이 경사면(212)과 동일한 경사각의 경사를 가질 수 있다. 따라서 파우치 필름(135)이 성형되어 전지 케이스(13)가 제조되면, 전지 케이스(13)의 컵부(133)의 바닥부(1332)는, 스트리퍼 경사면(222)과 다이 경사면(212)이 서로 맞닿는 영역의 파우치 필름(135)과 동일한 경사각의 경사를 가짐으로써, 서로 평행하게 형성될 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 펀치(23)의 성형부(231)가 다이 경사면(212)와 상이한 경사각의 경사를 가질 수도 있다. 이러한 경우에는 전지 케이스(13)의 컵부(133)의 바닥부(1332)가, 스트리퍼 경사면(222)과 다이 경사면(212)이 서로 맞닿는 영역의 파우치 필름(135)과 상이한 경사각의 경사를 가지며 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다이 경사면(212)은 제1 다이 경사면(2121) 및 제2 다이 경사면(2122)을 포함하므로, 펀치(23)의 성형부(231)도 제1 성형부(2311) 및 제2 성형부(2312)를 포함한다. 펀치(23)의 제1 성형부(2311)는 다이(21)의 제1 성형 공간(2111)으로 삽입되며 파우치 필름(135)을 연신시킨다. 그러면 제1 케이스(131)에 컵부(133)가 형성될 수 있다. 이 때, 제1 케이스(131)에 형성된 컵부(133)의 바닥부(1332)는, 제1 다이 경사면(2121)과 제1 스트리퍼 경사면(2221)이 서로 맞닿는 영역의 파우치 필름(135)과 동일한 경사각의 경사를 가짐으로써, 서로 평행하게 형성될 수 있다. 그리고 펀치(23)의 제2 성형부(2312)는 다이(21)의 제2 성형 공간(2112)으로 삽입되며 파우치 필름(135)을 연신시킨다. 그러면 제2 케이스(132)에 컵부(133)가 형성될 수 있다. 이 때, 제2 케이스(132)에 형성된 컵부(133)의 바닥부(1332)는, 제2 다이 경사면(2122)과 제2 스트리퍼 경사면(2222)이 서로 맞닿는 영역의 파우치 필름(135)과 동일한 경사각의 경사를 가짐으로써, 서로 평행하게 형성될 수 있다.
따라서, 파우치 필름(135)이 성형되어 전지 케이스(13)가 제조되면, 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)에 각각 형성된 컵부(133)의 바닥부(1332)도 서로 대칭으로 형성되며, 중심을 향할수록 하방을 향하는 경사를 가질 수 있다.
한편, 펀치(23)가 하강하여 다이(21)의 성형 공간(211)에 삽입되면, 펀치(23)의 제1 성형부(2311)와 제2 성형부(2312)의 사이에 형성된 홈에, 다이(21)의 격벽(215)이 삽입될 수 있다. 그럼으로써, 파우치 필름(135)을 성형하면 전지 케이스(13)에 다이(21)의 격벽(215)과 대응되는 브릿지(136)가 형성될 수 있다. 이러한 브릿지(136)는 다이(21)의 격벽(215)에 대응되어 형성되고, 펀치 엣지(1334)는 펀치(23)의 엣지에 대응되어 형성된다. 그리고 다이(21)의 성형 공간(211) 내벽(214)과 펀치(23)의 외벽(232) 사이에는 이들의 수평 거리인 클리어런스(CL)가 존재한다. 따라서 도 13에 도시된 바와 같이, 이러한 클리어런스(CL)는 전지 케이스(13)에서, 브릿지(136)와 펀치 엣지(1334) 사이의 수평 거리로 나타날 수 있고, 클리어런스(CL)에 의해 컵부(133)의 외벽(1333)이 경사를 가지며 형성된다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 컵부(133)의 펀치 엣지(1334)의 부분 확대도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 컵부(133)의 외벽(1333) 자체가 경사를 가지며 형성되더라도, 본 발명의 일 실시예에 따르면 컵부(133)의 바닥부(1332)도 경사를 가지며 형성된다. 따라서, 컵부(133)의 외벽(1333)의 바닥부(1332)로부터의 경사각(a)이 더욱 감소하여 대략 90° 내지 95° 사이, 나아가 90°내지 93° 사이인 경사각(a)을 가지도록 수직에 가깝게 형성할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 폴딩부(139)의 부분 확대도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컵부(133)의 외벽(1333)의 바닥부(1332)로부터의 경사각(a)이 수직에 가깝게 형성될 수 있다. 그러면 전극 조립체(10)가 컵부(133)의 외벽(1333)에 매우 가까이 위치할 수 있으므로, 컵부(133)의 불필요한 부피가 감소한다. 따라서, 디가싱 공정을 수행하여 컵부(133)의 내부 압력이 감소하더라도, 컵부(133)의 외벽(1333) 또는 바닥부(1332)가 변형되는 것을 방지할 수 있다. 즉 도 15에 도시된 바와 같이, 엣지 하이 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있으므로, 부피 대비 에너지 밀도가 저하되지 않을 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 상방에서 나타낸 개략도이다.
상기 기술한 바와 같이, 배트 이어(15)는 이차 전지(1)에서 폴딩부(139)의 양 단 일부에서 외측으로 돌출되면서 가시적으로 나타나는 부분이다. 구체적으로, 전지 케이스(13)는 파우치 필름(135)을 드로잉 성형하여 형성되며, 이 때 컵부(133)만이 한정되어 연신되는 것이 아니라 컵부(133)의 주변 사이드(134)들도 전체적으로 미세하게 연신된다. 따라서, 브릿지(136)를 폴딩하면, 사이드(134)들의 미세하게 연신된 부분들이 누적되어, 폴딩부(139)의 양 단 일부에서 외측으로 돌출되면서 가시적으로 나타난다. 이를 배트 이어(15)라 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 엣지 하이 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있으므로, 배트 이어(15)의 크기를 감소시킬 수 있고, 배트 이어(15)의 형상이 도드라지는 문제도 방지할 수 있다. 따라서, 이차 전지(1)들을 전지 모듈에 용이하게 조립할 수 있고, 이차 전지(1)의 불필요한 부피를 감소시키므로 부피 대비 에너지 밀도를 증가시킬 수도 있다. 또한, 이차 전지(1)를 전지 모듈의 하우징에 수납하면 배트 이어(15)의 크기가 감소하여 하우징과 폴딩부(139) 사이의 간격이 감소하고, 이차 전지(1)의 냉각 효율도 증가할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2a)의 사시도이고, 도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스 성형 장치(2a)의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나의 파우치 필름(135)에 두 개의 컵부(133)를 서로 이웃하게 성형하여, 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)에 각각 컵부(133)가 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하나의 파우치 필름(135)에 하나의 컵부(133)만을 성형하여, 제1 케이스(131)에만 컵부(133)가 형성될 수 있다. 이를 위해 도 17에 도시된 바와 같이, 다이(21a)의 상면은 펀치(23a)가 하강하는 방향과 경사를 가지는 다이 경사면(212a)을 하나만 포함할 수 있다. 그리고 다이(21a)의 상면은, 다이 경사면(212a)의 양 단으로부터 각각 연장되며 상기 펀치(23a)가 하강하는 방향과 수직인 복수의 다이 수평면(213a)을 더 포함할 수 있다.
다이(21a)의 상면이 다이 경사면(212a)을 하나만 포함하므로, 다이(21a)는 다이(21a)의 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간(211a)을 하나만 포함할 수 있다. 따라서 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다이(21a)는 격벽을 포함하지 않고, 파우치 필름(135)을 성형하여 제조된 전지 케이스(13a)에는 브릿지가 형성되지 않을 수 있다.
스트리퍼(22a)는 하면이 파우치 필름(135)을 고정할 때 파우치 필름(135)의 상면과 접촉한다. 따라서 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 스트리퍼(22a)도 다이(21a)의 경사면과 동일한 경사를 가지는 스트리퍼 경사면(222a)을 하나만 포함하고, 다이(21a)의 수평면과 맞닿으며 상기 스트리퍼 경사면(222a)의 양 단으로부터 각각 연장되는 복수의 스트리퍼 수평면(223a)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 다이(21a)는 성형 공간(211a)을 하나만 포함하므로, 펀치(23a)도 파우치 필름(135)을 성형 공간(211a)에 삽입하는 성형부(231a)를 하나만 포함할 수 있다. 그리고, 다이(21a)가 격벽을 포함하지 않으므로, 펀치(23a)에도 이러한 격벽이 삽입되는 홈이 형성되지 않을 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트리퍼(22a)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
다이(21a)의 상면에 파우치 필름(135)을 안착되면(S901), 도 19에 도시된 바와 같이 스트리퍼(22)가 하강한다(S902). 그리고 스트리퍼(22)의 하면이 파우치 필름(135)의 상면과 접촉하면, 스트리퍼(22)와 다이(21)는 파우치 필름(135)을 사이에 두고 서로 맞닿는다. 그리고, 스트리퍼(22)는 파우치 필름(135)을 상방으로부터 압박하여 고정한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다이(21a)는 다이 경사면(212a)을 하나만 포함하고 스트리퍼(22a)는 스트리퍼 경사면(222a)을 하나만 포함하므로, 파우치 필름(135)의 경사를 가지는 영역이 하나만 형성될 수 있다. 그리고, 다이(21a)는 복수의 다이 수평면(213a)을 포함하고 스트리퍼(22a)는 복수의 스트리퍼 수평면(223a)을 포함하므로, 파우치 필름(135)의 수평인 영역이 복수로 형성될 수 있다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 펀치(23a)가 하강한 모습을 나타낸 개략도이다.
스트리퍼(22a)가 파우치 필름(135)을 고정하면, 도 20에 도시된 바와 같이 펀치(23a)가 다이(21a)의 상면, 특히 다이 경사면(212a)과 경사를 가지는 방향으로 하강한다(S903). 그러면 펀치(23a)가 파우치 필름(135)과 함께 성형 공간(211a)에 삽입되고, 파우치 필름(135)을 연신시킨다(S903). 그럼으로써 파우치 필름(135)이 성형되어 컵부(133a)가 형성될 수 있다(S904). 그 후 펀치(23a) 및 스트리퍼(22a)가 다시 상승하면 컵부(133a)가 형성된 파우치 필름(135)을 꺼냄으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 전지 케이스(13a)가 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 펀치(23a)의 성형부(231a)가 다이(21a)의 성형 공간(211a)으로 삽입되며 파우치 필름(135)을 연신시킴으로써, 제1 케이스(131)에 컵부(133a)가 형성될 수 있으나, 제2 케이스(132)에는 컵부가 형성되지 않는다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컵부(133a)의 펀치 엣지(1334a)의 부분 확대도이다.
도 21에 도시된 바와 같이, 컵부(133a)의 외벽(1333a) 자체가 경사를 가지며 형성되더라도, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 컵부(133a)의 바닥부(1332a)도 경사를 가지며 형성된다. 따라서, 컵부(133a)의 외벽(1333a)의 바닥부(1332a)로부터의 경사각(b)이 더욱 감소하여 대략 90° 내지 95° 사이, 나아가 90°내지 93° 사이인 경사각(b)을 가지도록 수직에 가깝게 형성할 수 있다.
한편 도 1, 도 14, 도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스는 제1 케이스(131) 또는 제2 케이스(132) 중 적어도 하나에 형성되며, 바닥부(1332) 일 면의 가장자리를 따라 외벽(1333)이 형성되어 전극 조립체의 수용 공간이 마련되는 컵부(133) 및 상기 컵부(133)의 일 측에서 폴딩되어 상기 제1 케이스(131)와 상기 제2 케이스(132)를 일체로 연결하는 폴딩부(139)를 포함한다.
외벽(1333)은 상기 바닥부(1332) 일 면의 가장자리 중 상기 폴딩부(139) 측에 형성되는 제1 외벽, 상기 제1 외벽의 반대 측에 형성되는 제2 외벽, 상기 제1 외벽과 상기 제2 외벽을 연결하도록 형성되는 제3 외벽 및 상기 제3 외벽의 반대 측에 형성되는 제4 외벽을 포함하고, 상기 제1 외벽과 상기 바닥부(1332) 사이의 내측 경사각(a)은 90° 내지 95°로 형성될 수 있다.
여기서 폴딩부(139)란, 파우치 성형장치가 격벽(215)을 포함하는 경우, 격벽(215)에 대응되는 브릿지가 형성되게 되고, 브릿지는 추후에 전지 케이스(13)를 폴딩할 때, 기준이 되는 부분일 수 있다. 즉, 이차 전지(1)의 제조가 완료되면, 브릿지는 이차 전지(1)의 일측에서 폴딩부(139)를 형성할 수 있으며, 따라서 제1 외벽은 바닥부(1332) 일 면의 가장자리 중 브릿지 측에 형성되는 것으로도 동일하게 이해될 수 있다.
다만, 제1 케이스(131) 또는 제2 케이스(132) 중 하나에만 컵부(133a)가 형성되는 경우에는 별도의 브릿지가 존재하지 않으며, 이 경우 제1 외벽은 바닥부의 일 면의 가장자리 중 폴딩부 측에 형성되는 것으로 이해될 수 있다.
이로써 폴딩부(139) 측에 형성된 컵부(133)의 외벽인 제1 외벽의 바닥부(1332)로부터의 경사각(a)이 더욱 감소하여 수직에 가깝게 형성될 수 있고, 그럼으로써 전극 조립체가 컵부의 외벽에 매우 가까이 위치할 수 있으므로, 컵부의 불필요한 부피가 감소할 수 있다.
한편, 제2 외벽과 상기 바닥부(1332) 사이의 내측 경사각은, 상기 제1 외벽과 상기 바닥부(1332) 사이의 내측 경사각(a)보다 크게 형성될 수 있다.
또한 제2 외벽과 상기 바닥부(1332) 사이의 내측 경사각은, 상기 제1 외벽과 상기 바닥부(1332) 사이의 내측 경사각(a)보다 적어도 10° 이상 크게 형성될 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: 성형 장치
10: 전극 조립체 11: 전극 탭
12: 전극 리드 13: 전지 케이스
14: 절연부 15: 배트 이어
21: 다이 22: 스트리퍼
23: 펀치 111: 양극 탭
112: 음극 탭 121: 양극 리드
122: 음극 리드 131: 제1 케이스
132: 제2 케이스 133: 컵부
134: 사이드 135: 파우치 필름
136: 브릿지 137: 디가싱부
139: 폴딩부 211: 성형 공간
212: 다이 경사면 213: 다이 수평면
214: 내벽 215: 격벽
221: 관통부 222: 스트리퍼 경사면
223: 스트리퍼 수평면 231: 성형부
232: 외벽 1331: 수용 공간
1332: 바닥부 1333: 외벽
1334: 펀치 엣지 1351: 실란트층
1352: 수분 배리어층 1353: 표면 보호층
2111: 제1 성형 공간 2112: 제2 성형 공간
2121: 제1 다이 경사면 2122: 제2 다이 경사면
2151: 보강부 2221: 제1 스트리퍼 경사면
2222: 제2 스트리퍼 경사면 2311: 제1 성형부
2312: 제2 성형부
10: 전극 조립체 11: 전극 탭
12: 전극 리드 13: 전지 케이스
14: 절연부 15: 배트 이어
21: 다이 22: 스트리퍼
23: 펀치 111: 양극 탭
112: 음극 탭 121: 양극 리드
122: 음극 리드 131: 제1 케이스
132: 제2 케이스 133: 컵부
134: 사이드 135: 파우치 필름
136: 브릿지 137: 디가싱부
139: 폴딩부 211: 성형 공간
212: 다이 경사면 213: 다이 수평면
214: 내벽 215: 격벽
221: 관통부 222: 스트리퍼 경사면
223: 스트리퍼 수평면 231: 성형부
232: 외벽 1331: 수용 공간
1332: 바닥부 1333: 외벽
1334: 펀치 엣지 1351: 실란트층
1352: 수분 배리어층 1353: 표면 보호층
2111: 제1 성형 공간 2112: 제2 성형 공간
2121: 제1 다이 경사면 2122: 제2 다이 경사면
2151: 보강부 2221: 제1 스트리퍼 경사면
2222: 제2 스트리퍼 경사면 2311: 제1 성형부
2312: 제2 성형부
Claims (19)
- 상면에 파우치 필름이 안착되고, 상기 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 적어도 하나의 성형 공간를 포함하는 다이; 및
상기 성형 공간의 상방에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름을 상기 성형 공간에 삽입하며 성형하는 펀치를 포함하되,
상기 다이는,
상기 상면이 적어도 하나의 다이 경사면을 포함하는 전지 케이스 성형 장치. - 제1항에 있어서,
상기 다이 경사면은,
상기 펀치가 하강하는 방향과 경사를 가지는 전지 케이스 성형 장치. - 제1항에 있어서,
상기 성형 공간은,
상기 다이 경사면으로부터 상기 다이의 내측으로 함몰 형성된 전지 케이스 성형 장치. - 제1항에 있어서,
상기 다이 경사면은,
제1 다이 경사면 및 제2 다이 경사면을 포함하고,
상기 제1 다이 경사면 및 상기 제2 다이 경사면은,
서로 대칭으로 형성되는 전지 케이스 성형 장치. - 제4항에 있어서,
상기 제1 다이 경사면 및 상기 제2 다이 경사면은,
서로에게 인접할수록 하방을 향하는 경사를 가지는 전지 케이스 성형 장치. - 제5항에 있어서,
상기 성형 공간은,
상기 제1 다이 경사면으로부터 상기 다이의 내측으로 함몰 형성된 제1 성형 공간; 및
상기 제2 다이 경사면으로부터 상기 다이의 내측으로 함몰 형성된 제2 성형 공간을 포함하는 전지 케이스 성형 장치. - 제6항에 있어서,
상기 다이는,
상기 제1 성형 공간 및 상기 제2 성형 공간의 사이에 형성된 격벽을 더 포함하는 전지 케이스 성형 장치. - 제7항에 있어서,
상기 격벽은 하부로 갈수록 두께가 두껍게 형성되고,
상기 격벽에 의해 형성된 성형 공간의 내벽은 경사를 가지는 것을 특징으로 하는 전지 케이스 성형 장치. - 제7항에 있어서,
상기 펀치는,
상기 격벽에 대응되는 위치에, 상기 격벽이 삽입되는 홈이 형성되는 전지 케이스 성형 장치. - 제6항에 있어서,
상기 펀치는,
상기 파우치 필름을 상기 제1 성형 공간에 삽입하는 제1 성형부; 및
상기 파우치 필름을 상기 제2 성형 공간에 삽입하는 제2 성형부를 포함하는 전지 케이스 성형 장치. - 제1항에 있어서,
상기 다이는,
상기 상면이, 상기 다이 경사면의 적어도 일단으로부터 연장되며 상기 펀치가 하강하는 방향과 수직인 다이 수평면을 더 포함하는 전지 케이스 성형 장치. - 제1항에 있어서,
상기 펀치는,
상기 파우치 필름에 직접 접촉하는 성형부가, 상기 다이 경사면과 동일한 경사를 가지는 전지 케이스 성형 장치. - 제1항에 있어서,
상기 다이의 상방에 배치되고, 하강하여 상기 파우치 필름을 사이에 두고 상기 다이와 맞닿으며, 상기 파우치 필름을 고정시키는 스트리퍼를 더 포함하는 전지 케이스 성형 장치. - 제13항에 있어서,
상기 스트리퍼는,
하면이, 상기 다이 경사면과 맞닿으며 상기 다이 경사면과 동일한 경사를 가지는 적어도 하나의 스트리퍼 경사면을 포함하는 전지 케이스 성형 장치. - 다이의 상면에 파우치 필름을 안착하는 단계;
상기 다이의 상기 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간의 상방에 배치된 펀치가, 상기 상면의 적어도 일부와 경사를 가지는 방향으로 하강하는 단계; 및
상기 펀치가 상기 파우치 필름을 상기 성형 공간에 삽입하며, 상기 파우치 필름에 컵부를 형성하는 단계를 포함하는 전지 케이스 성형 방법. - 제15항에 있어서,
상기 펀치가 하강하는 단계에 있어서,
상기 다이는,
상기 상면이 적어도 하나의 다이 경사면을 포함하는 전지 케이스 성형 방법. - 제1 케이스 또는 제2 케이스 중 적어도 하나에 형성되며, 바닥부 일 면의 가장자리를 따라 외벽이 형성되어 전극 조립체의 수용 공간이 마련되는 컵부; 및
상기 컵부의 일 측에서 폴딩되어 상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스를 일체로 연결하는 폴딩부를 포함하고,
상기 외벽은,
상기 바닥부 일 면의 가장자리 중 상기 폴딩부 측에 형성되는 제1 외벽;
상기 제1 외벽의 반대 측에 형성되는 제2 외벽;
상기 제1 외벽과 상기 제2 외벽을 연결하도록 형성되는 제3 외벽; 및
상기 제3 외벽의 반대 측에 형성되는 제4 외벽을 포함하고,
상기 제1 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각은 90° 내지 95°로 형성되는 전지 케이스. - 제17항에 있어서,
상기 제2 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각은,
상기 제1 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각보다 크게 형성되는 전지 케이스. - 제18항에 있어서,
상기 제2 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각은,
상기 제1 외벽과 상기 바닥부 사이의 내측 경사각보다 적어도 10° 이상 크게 형성되는 전지 케이스.
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|---|---|---|---|
| EP21878000.5A EP4205938A4 (en) | 2020-10-06 | 2021-10-06 | APPARATUS AND METHOD FOR SHAPING A BATTERY CASE AND BATTERY CASE |
| US18/029,851 US20230373138A1 (en) | 2020-10-06 | 2021-10-06 | Apparatus and Method for Molding Battery Case, and Battery Case |
| PCT/KR2021/013712 WO2022075749A1 (ko) | 2020-10-06 | 2021-10-06 | 전지 케이스 성형 장치, 성형 방법 및 전지 케이스 |
| CN202180064222.8A CN116210118A (zh) | 2020-10-06 | 2021-10-06 | 用于模制电池壳体的装置和方法以及电池壳体 |
| JP2023518301A JP2023542190A (ja) | 2020-10-06 | 2021-10-06 | 電池ケース成形装置、成形方法及び電池ケース |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20200129026 | 2020-10-06 | ||
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| KR1020210131992A KR20220045915A (ko) | 2020-10-06 | 2021-10-05 | 전지 케이스 성형 장치, 성형 방법 및 전지 케이스 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180055427A (ko) | 2016-11-17 | 2018-05-25 | 주식회사 엘지화학 | 비대칭 구조의 전극조립체 수납부를 포함하는 파우치형 전지셀 |
-
2021
- 2021-10-05 KR KR1020210131992A patent/KR20220045915A/ko active Search and Examination
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180055427A (ko) | 2016-11-17 | 2018-05-25 | 주식회사 엘지화학 | 비대칭 구조의 전극조립체 수납부를 포함하는 파우치형 전지셀 |
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