KR20220048791A

KR20220048791A - 이차전지 및 이차전지의 제조 방법

Info

Publication number: KR20220048791A
Application number: KR1020200132080A
Authority: KR
Inventors: 주정훈; 손주남; 김진수; 김수덕; 이승수; 김민근
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-10-13
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2022-04-20

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 위치하는 캡 조립체; 및 상기 전지 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 위치하는 가스켓을 포함한다. 상기 전지 케이스 중 상기 전지 케이스의 상측 단부로부터 이격된 부분에 케이스 홈(case groove)이 형성되고, 상기 가스켓 중 상기 가스켓의 상측 단부로부터 이격된 부분에 가스켓 홈(gasket groove)이 형성된다.

Description

이차전지 및 이차전지의 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF SECONDARY BATTERY}

본 발명은 이차전지 및 이차전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 활성화 공정에서 발생한 가스의 배출이 가능한 이차전지 및 이차전지의 제조 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 전력 저장장치 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 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는 상기 젤리롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.

또한, 이차전지는 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형의 케이스에 내장된 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 케이스에 내장된 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 원통형 이차전지의 상부에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다. 구체적으로, 도 1은 전지 케이스의 크림핑(Crimping) 결합 이전의 모습을 나타내고, 도 2는 전지 케이스의 크림핑 결합 이후의 모습을 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 전극 조립체(20) 및 전해액이 원통형 케이스(30)에 수납되고, 원통형 케이스(30)의 개방된 상부에 캡 조립체(40)가 장착되어 원통형 이차전지(10)가 제조될 수 있다.

전극 조립체(20)는 제1 전극(21), 제2 전극(22) 및 분리막(23)이 권취된 젤리롤형 전극 조립체일 수 있다.

캡 조립체(40)는 상단 캡(41), 내부 압력 강하용 안전 벤트(42) 및 전류 차단 부재(43, Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다. 상단 캡(41)과 안전 벤트(42)는 상호 밀착된 구조를 형성할 수 있고, 안전 벤트(42)는 전류 차단 부재(43)의 중심부와 연결된 구조를 형성할 수 있다. 전류 차단 부재(43)의 하단부에 제1 전극(21)으로부터 돌출된 제1 전극탭(21t)이 연결될 수 있다. 여기서 제1 전극(21)은 양극일 수 있고, 제1 전극탭(21t)은 양극탭일 수 있다.

캡 조립체(40)와 원통형 케이스(30) 사이에는 밀봉을 위한 가스켓(50)이 위치할 수 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 개방된 원통형 케이스(30) 상부에 캡 조립체(40)와 가스켓(50)을 위치시킨다. 이후 원통형 케이스(30)와 가스켓(50)의 상측 단부를 구부려 크림핑 결합을 실시한다. 이에 따라 도 2에 나타난 바와 같이, 캡 조립체(40)의 결합 및 원통형 이차전지(10)의 밀봉이 이루어질 수 있다.

일반적으로 리튬 이차전지는 제조 과정에서 화성(formation) 공정, 즉 활성화 공정을 수행한다. 상기 활성화 공정은 전지 조립 후 충전과 방전을 수행하여 전지를 활성화하는 공정으로서, 충전시 양극으로부터 나온 리튬 이온이 음극으로 이동하여 삽입되며 이 때 음극 표면에서 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막이 형성된다. 이러한 활성화 공정은 일반적으로 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충방전을 반복하는 것으로 진행된다.

이러한 활성화 공정에서, 전극 피막 형성이나 셀 내부 수분의 분해로 인해 다량의 가스가 발생하는데, 활성화 공정에서 발생한 가스는 양도 많고 전극 피막과 지속적으로 반응하기 때문에 이를 배출시켜주는 공정이 필요하다. 이를 탈기(degas) 공정이라고 한다.

그러나, 도 2를 다시 참고하면, 종래의 원통형 이차전지(10)는 전해액 주입 후 밀폐를 유지해야 하기에 활성화 공정에서 발생한 가스를 배출하기 용이하지 않다. 활성화 공정에서 발생한 가스가 배출되지 못하고, 양극과 음극 사이의 전지반응을 방해하여, 전지의 초기용량, 안정적 고체 전해질 계면(SEI) 형성, 수명성능발현 특성 등에 악영향을 끼칠 수 있다.

이에, 활성화 공정에서 발생한 가스의 배출이 가능한 원통형 이차전지에 대한 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 활성화 공정에서 발생한 가스의 배출이 가능한 이차전지 및 이차전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.

그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

상기 가스켓 홈은 상기 가스켓의 일면에서 상기 가스켓의 두께 방향으로 만입된 구조를 형성할 수 있다.

상기 가스켓 홈은 상기 가스켓의 원주 방향을 따라 이어질 수 있다.

상기 가스켓은, 상기 가스켓의 상기 상측 단부에서부터 상기 가스켓 홈까지의 영역인 1차 밀봉부를 포함할 수 있고, 상기 1차 밀봉부는 상기 가스켓의 상기 상측 단부 방향으로 갈수록 두께가 두꺼워질 수 있다.

상기 케이스 홈은 상기 전지 케이스의 일면에서 상기 전지 케이스의 두께 방향으로 만입된 구조를 형성할 수 있다.

상기 케이스 홈은 상기 전지 케이스의 원주 방향을 따라 이어질 수 있다.

상기 가스켓과 상기 캡 조립체 사이에 위치한 실링 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 가스켓은, 상기 가스켓의 상기 상측 단부에서부터 상기 가스켓 홈까지의 영역인 1차 밀봉부를 포함할 수 있고, 상기 1차 밀봉부는, 돌출된 가스켓 그립부를 포함할 수 있으며, 상기 1차 밀봉부에 상기 가스켓 홈에서부터 상기 가스켓의 상기 상측 단부까지 이어지는 보조 홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전극 조립체를 상부가 개방된 전지 케이스에 수납하는 단계; 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 캡 조립체와 가스켓을 위치시키는 단계; 상기 전지 케이스의 1차 결합부와 상기 가스켓의 1차 밀봉부를 상기 캡 조립체 방향으로 구부려 1차 크림핑(Crimping)부를 형성하는 1차 크림핑 단계; 상기 전극 조립체를 활성화하는 활성화 단계; 상기 1차 크림핑부를 제거하고, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스를 외부로 배출하는 가스 배출 단계; 및 상기 전지 케이스와 상기 가스켓을 상기 캡 조립체 방향으로 구부려 2차 크림핑부를 형성하는 2차 크림핑 단계를 포함한다. 상기 전지 케이스의 상측 단부로부터 이격된 부분에 케이스 홈(groove)이 형성되고, 상기 1차 결합부는 상기 전지 케이스의 상기 상측 단부에서부터 상기 케이스 홈까지의 영역이다. 상기 가스켓의 상기 상측 단부로부터 이격된 부분에 가스켓 홈(groove)이 형성되고, 상기 1차 밀봉부는 상기 가스켓의 상측 단부에서부터 상기 가스켓 홈까지의 영역이다.

상기 1차 크림핑 단계는, 상기 캡 조립체 상에 고리 형상의 와셔를 위치시키는 단계; 및 상기 1차 결합부와 상기 1차 밀봉부를 상기 와셔 방향으로 구부리는 단계를 포함할 수 있다.

상기 가스 배출 단계는, 상기 와셔를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 1차 밀봉부는 상기 가스켓의 상기 상측 단부 방향으로 갈수록 두께가 두꺼워질 수 있다.

상기 가스 배출 단계에서, 상기 케이스 홈을 경계로 상기 1차 결합부를 제거하고, 상기 가스켓 홈을 경계로 상기 1차 밀봉부를 제거함으로써, 상기 1차 크림핑부를 제거할 수 있다.

상기 2차 크림핑 단계에서, 상기 1차 결합부가 제거된 전지 케이스의 2차 결합부를 상기 캡 조립체 방향으로 구부리고, 상기 1차 밀봉부가 제거된 가스켓의 2차 밀봉부를 상기 캡 조립체 방향으로 구부릴 수 있다.

상기 1차 밀봉부는 가스켓 그립(grip)부를 포함할 수 있고, 상기 1차 결합부는 케이스 그립부를 포함할 수 있다. 상기 가스켓 그립부 및 상기 케이스 그립부를 각각 잡아 당김으로써, 상기 1차 밀봉부 및 상기 1차 결합부를 제거할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 1차 크림핑부와 2차 크림핑부를 단계적으로 형성함으로써, 활성화 공정에서 발생한 가스를 용이하게 배출할 수 있어, 이차전지의 내압 증가 및 성능 저하를 방지할 수 있다. 아울러, 가스로 인한 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제를 해결할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 원통형 이차전지의 상부에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 사시도이다.
도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 5는 도 4의 이차전지에 포함된 가스켓에 대한 사시도이다.
도 6은 도 4의 이차전지에 와셔가 배치된 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 7은 도 6에서의 와셔에 대한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 크림핑 단계를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성화 단계 및 가스 배출 단계를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 크림핑 단계를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 11은 본 발명의 변형 실시예에 따른 가스켓에 대한 사시도이다.
도 12는 도 11의 가스켓으로부터 분리된 1차 밀봉부를 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 사시도이다. 도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는, 전극 조립체(200), 전극 조립체(200)가 수납되고 상부가 개방된 전지 케이스(300), 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 위치하는 캡 조립체(400) 및 전지 케이스(300)와 캡 조립체(400) 사이에 위치하는 가스켓(500)을 포함한다.

우선, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200)는, 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)을 포함할 수 있다. 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)이 함께 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(200)가 형성될 수 있다. 분리막(230)은 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에 개재될 수 있다.

한편, 권취된 전극 조립체(200)에 대해서, 제1 전극탭(213)과 제2 전극탭(도시하지 않음)은 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있다. 제1 전극탭(213)은 캡 조립체(400)가 위치한 방향으로 돌출될 수 있고, 구체적으로 도시하지 않았으나 상기 제2 전극탭은 전지 케이스(300)의 바닥부를 향해 돌출될 수 있다.

이 때, 제1 전극(210)은 양극일 수 있고, 제2 전극(220)은 음극일 수 있다. 이에 따라, 제1 전극탭(213)은 양극탭일 수 있고, 제2 전극탭(도시하지 않음)은 음극탭일 수 있다.

한편, 전지 케이스(300)는 전해액이 함침된 전극 조립체(200)를 수납하는 구조물로써, 금속 소재를 포함할 수 있고, 원통형 케이스일 수 있다.

전지 케이스(300)는 비딩부(300B)를 포함할 수 있다. 비딩부(300B)는 원통형의 전지 케이스(300) 중 일부가 전극 조립체(200)의 중심 방향으로 만입된 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(400)의 안정적인 결합 및 전극 조립체(200)의 유동 방지를 위한 것이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 만입된 비딩부(300B) 상에 캡 조립체(400) 및 가스켓(500)이 위치할 수 있다.

캡 조립체(400)는 상단 캡(410), 안전 벤트(420) 및 전류 차단 부재(430, Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다. 상단 캡(410)과 안전 벤트(420)는 상호 밀착된 구조를 형성할 수 있다. 안전 벤트(420)는 전류 차단 부재(430) 상에 위치하며, 전류 차단 부재(430)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 안전 벤트(420)의 중심부와 전류 차단 부재(430)의 중심부가 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다. 전류 차단 부재(430)의 하단부에는 제1 전극(210)으로부터 돌출된 제1 전극탭(213)이 연결될 수 있다.

안전 벤트(420)는 전류가 통하는 박막 구조물로써, 그 중심부가 하부 방향, 즉, 전류 차단 부재(430)가 위치한 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 전류 차단 부재(430)는 전류가 통하는 판재 부재로써, 가스의 배출을 위한 다수의 관통구들이 형성될 수 있다.

상단 캡(410), 안전 벤트(420), 전류 차단 부재(430) 및 제1 전극탭(213)들이 차례로 연결되어, 상단 캡(410)이 전극 조립체(200)의 전기적 연결을 안내하는 전극 단자로써 기능할 수 있다.

이하에서는, 도 3 내지 도 5를 참고하여, 본 실시예에 따른 가스켓 및 전지 케이스의 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 5는 도 4의 이차전지에 포함된 가스켓에 대한 사시도이다.

도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 가스켓(500) 중 가스켓(500)의 상측 단부(500U)로부터 이격된 부분에 가스켓 홈(500G, gasket groove)이 형성된다. 가스켓 홈(500G)은 가스켓(500)의 일면에서 가스켓(500)의 두께 방향으로 만입된 구조를 형성할 수 있다. 도 4 및 도 5에는 가스켓(500)의 내측면에서 두께 방향으로 만입된 구조의 가스켓 홈(500G)이 도시되어 있으나, 가스켓(500)의 외측면에서 두께 방향으로 만입된 구조도 가능하다. 이러한 가스켓 홈(500G)은 가스켓(500)의 원주 방향을 따라 이어질 수 있다.

본 실시예에 따른 가스켓(500)은, 가스켓(500)의 상측 단부(500U)에서부터 가스켓 홈(500G)까지의 영역인 1차 밀봉부(510)를 포함할 수 있다. 한편, 가스켓(500)은 비딩부(300B) 상에 위치하는 안착부(530) 및 가스켓 홈(500G)부터 안착부(530) 전까지의 영역인 2차 밀봉부(520)를 포함할 수 있다. 즉, 가스켓 홈(500G)을 기준으로, 그 상부 영역이 1차 밀봉부(510)일 수 있고, 그 하부 영역이 2차 밀봉부(520)일 수 있다. 1차 밀봉부(510)는 활성화 단계 이전에 이차전지(100)를 밀봉하는 1차 크림핑부를 형성하는 구성이고, 2차 밀봉부(520)는 활성화 단계 이후에 이차전지(100)를 밀봉하는 2차 크림핑부를 형성하는 구성이다.

이 때, 1차 밀봉부(510)는 가스켓(500)의 상측 단부(500U) 방향으로 갈수록 두께가 두꺼워질 수 있다. 이는 상기 1차 크림핑부를 형성할 때, 완전한 크림핑 결합을 하지 않더라도, 밀폐성을 유지하기 위함이다.

1차 밀봉부(510) 및 2차 밀봉부(520)가 형성하는 1차 크림핑부 및 2차 크림핑부에 대해서는 도 8 및 도 10에서 다시 자세히 설명하도록 한다.

한편, 본 실시예에 따른 전지 케이스(300) 중 전지 케이스(300)의 상측 단부(300U)로부터 이격된 부분에 케이스 홈(300G, case groove)이 형성된다. 케이스 홈(300G)은 전지 케이스(300)의 일면에서 전지 케이스(300)의 두께 방향으로 만입된 구조를 형성할 수 있다. 도 3 및 도 4에는 전지 케이스(300)의 외측면에서 두께 방향으로 만입된 구조의 케이스 홈(300G)이 도시되어 있으나, 전지 케이스(300)의 내측면에서 두께 방향으로 만입된 구조도 가능하다. 이러한 케이스 홈(300G)은, 가스켓 홈(500G)과 마찬가지로, 전지 케이스(300)의 원주 방향을 따라 이어질 수 있다.

본 실시예에 따른 전지 케이스(300)는, 전지 케이스(300)의 상측 단부(300U)에서부터 케이스 홈(300G)까지의 영역인 1차 결합부(310)를 포함할 수 있다. 또한, 전지 케이스(300)는 케이스 홈(300G)부터 비딩부(300B)까지의 영역인 2차 결합부(320)를 포함할 수 있다. 즉, 케이스 홈(300G)을 기준으로, 그 상부 영역이 1차 결합부(310)일 수 있고, 그 하부 영역이 2차 결합부(320)일 수 있다. 1차 결합부(310)는 활성화 단계 이전에 이차전지(100)를 밀봉하는 1차 크림핑부를 형성하는 구성이고, 2차 결합부(320)는 활성화 단계 이후에 이차전지(100)를 밀봉하는 2차 크림핑부를 형성하는 구성이다.

1차 결합부(310) 및 2차 결합부(320)가 형성하는 1차 크림핑부 및 2차 크림핑부에 대해서는, 1차 밀봉부(510) 및 2차 밀봉부(520)와 함께, 도 8 및 도 10에서 다시 자세히 설명하도록 한다.

한편, 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지(100)는 가스켓(500)과 캡 조립체(400) 사이에 위치한 실링 부재(700)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 가스켓(500)은 비딩부(300B) 상에 위치하는 안착부(530)를 포함할 수 있는데, 안착부(530)와 캡 조립체(400)의 안전 벤트(420) 사이에 실링 부재(700)가 위치할 수 있다. 실링 부재(700)에 의해 가스켓(500)과 캡 조립체(400)가 서로 접착 및 밀폐될 수 있다. 후술하는 1차 크림핑 단계에서, 1차 크림핑부를 형성할 때, 완전한 크림핑 결합을 하지 않더라도, 실링 부재(700)에 의해 밀폐성을 유지하는데 도움이 될 수 있다.

이하에서는, 도 6 내지 도 10을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 6은 도 4의 이차전지에 와셔가 배치된 모습을 나타낸 부분 단면도이다. 도 7은 도 6에서의 와셔에 대한 사시도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 크림핑 단계를 설명하기 위한 부분 단면도이다.

먼저, 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전극 조립체(200)를 상부가 개방된 전지 케이스(300)에 수납하는 단계 및 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 캡 조립체(400)와 가스켓(500)을 위치시키는 단계를 포함한다.

앞서 설명한 바 대로, 전지 케이스(300)는 금속 소재를 포함하는 원통형 케이스일 수 있다. 전지 케이스(300)에 비딩부(300B)가 형성되고, 비딩부(300B)위에 가스켓(500)가 위치하며, 가스켓(500)의 안착부(530) 위에 캡 조립체(400)가 위치할 수 있다.

다음, 도 6 내지 도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전지 케이스(300)의 1차 결합부(310)와 가스켓(500)의 1차 밀봉부(510)를 캡 조립체(400) 방향으로 구부려 1차 크림핑(Crimping)부(C1)를 형성하는 1차 크림핑 단계를 포함한다.

구체적으로, 전지 케이스(300)의 상측 단부(300U)로부터 이격된 부분에 케이스 홈(300G)이 형성되고, 전지 케이스(300)는 전지 케이스(300)의 상측 단부(300U)에서부터 케이스 홈(300G)까지의 영역인 1차 결합부(310)를 포함한다. 한편, 상술한 바 대로, 전지 케이스(300)는 케이스 홈(300G)부터 비딩부(300B)까지의 영역인 2차 결합부(320)를 포함할 수 있다.

가스켓(500)의 상측 단부(500U)로부터 이격된 부분에 가스켓 홈(500G)이 형성되고, 가스켓(500)은 가스켓(500)의 상측 단부(500U)에서부터 가스켓 홈(500G)까지의 영역인 1차 밀봉부(510)를 포함한다. 한편, 상술한 바 대로, 가스켓(500)은 가스켓 홈(500G)부터 안착부(530) 전까지의 영역인 2차 밀봉부(520)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 상기 1차 크림핑 단계는, 캡 조립체(400) 상에 고리 형상의 와셔(600)를 위치시키는 단계 및 1차 결합부(310)와 1차 밀봉부(510)를 와셔(600) 방향으로 구부리는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 7에 나타난 바와 같은 고리 형상의 와셔(600)를 캡 조립체(400)의 상면 중 가스켓(500)과 인접한 부분에 위치시킬 수 있다. 다음 1차 결합부(310)와 1차 밀봉부(510)를 와셔(600) 방향으로 구부려, 1차 크림핑부(C1)를 형성할 수 있다. 와셔(600)를 감싸는 형태로 1차 결합부(310)와 1차 밀봉부(510)가 1차 크림핑부(C1)를 형성함으로써, 이차전지(100)가 1차적으로 밀봉될 수 있다.

이 때, 1차 크림핑부(C1)는 후술하는 전극 조립체의 활성화 단계 이후 제거되는 구성이기 때문에 밀봉을 유지하는 수준의 크림핑 결합이면 바람직하고, 종래의 이차전지(10, 도 1 및 도 2)에서와 같이 완전히 밀폐 및 고정되는 수준의 크림핑 결합은 이루어지지 않는 것이 바람직하다.

이 때 본 실시예에 따른 1차 밀봉부(510)는 가스켓(500)의 상측 단부(500U) 방향으로 갈수록 두께가 두꺼워질 수 있다. 1차 크림핑부(C1)에서 완전히 밀폐 및 고정되는 수준의 크림핑 결합이 이루어지지 않더라도, 1차 밀봉부(510)가 상측 단부(500U) 방향으로 갈수록 두께가 두꺼워지기 때문에 1차 밀봉부(510)와 와셔(600) 사이에서 가스의 유출을 막는 정도의 밀봉성을 유지할 수 있다. 즉, 1차 밀봉부(510)와 1차 결합부(310)를 살짝 구부리는 정도로 밀봉성을 유지할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 와셔(600)의 재질에 특별한 제한은 없으며, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP)등의 절연성 고분자 소재나 플라스틱 소재가 포함될 수 있다. 그 외 소정의 연성, 탄성, 강성을 보이는 소재라면 제한 없이 적용이 가능하다.

또한, 캡 조립체(400)와 가스켓(500)을 위치시키는 단계에서, 캡 조립체(400)와 가스켓(500) 사이에 실링 부재(700)가 위치하고, 캡 조립체(400)와 가스켓(500)이 서로 부착될 수 있다. 구체적으로, 가스켓(500)의 안착부(530)와 캡 조립체(400)의 안전 벤트(420) 사이에 실링 부재(700)가 위치할 수 있다. 상술한 바 대로, 1차 크림핑부(C1)에서 완전히 밀폐 및 고정되는 수준의 크림핑 결합이 이루어지지 않더라도, 실링 부재(700)가 캡 조립체(400)와 가스켓(500) 사이에 위치함으로써, 가스의 유출을 막는 정도의 밀봉성을 유지하는데 도움이 될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 실링 부재(700)에 적용되는 소재에 특별한 제한은 없으며, 진공 그리스(Vacuum grease)가 포함될 수 있다.

다음, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전극 조립체(200)를 활성화하는 활성화 단계를 포함한다. 즉, 1차 크림핑부(C1)가 형성되어 이차전지(100)의 1차적 밀봉이 이루어진 후에, 이차전지(100)에 대한 충전과 방전을 수행하여, 이차전지(100)를 활성화하는 공정, 즉 화성 공정이 이루어질 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성화 단계 및 가스 배출 단계를 설명하기 위한 부분 단면도이다.

도 8 및 도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 1차 크림핑부(C1)를 제거하고, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스를 외부로 배출하는 가스 배출 단계를 포함한다.

구체적으로, 상기 가스 배출 단계는, 와셔(600)를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 가스 배출 단계에서, 케이스 홈(300G)을 경계로 1차 결합부(310)를 제거하고, 가스켓 홈(500G)을 경계로 1차 밀봉부(510)를 제거함으로써, 1차 크림핑부(C1)를 제거할 수 있다. 이에 따라, 1차 크림핑부(C1)가 형성하였던 밀봉 구조가 해제될 수 있고, 상기 활성화 단계에서 전극 피막 형성이나 셀 내부 수분의 분해 등으로 인해 발생한 다량의 가스가 배출될 수 있다.

이때, 가스의 배출은 자연 배출 또는 진공 흡입 등의 방법이 이루어질 수 다. 즉, 내부의 가스가 배출될 수 있다면 그 방법에 특별한 제한은 없다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 크림핑 단계를 설명하기 위한 부분 단면도이다.

도 10을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전지 케이스(300)와 가스켓(500)을 캡 조립체(400) 방향으로 구부려 2차 크림핑부(C2)를 형성하는 2차 크림핑 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 2차 크림핑 단계에서, 1차 결합부(310, 도 9 참고)가 제거된 전지 케이스(300)의 2차 결합부(320)를 캡 조립체(400) 방향으로 구부리고, 1차 밀봉부(510, 도 9 참고)가 제거된 가스켓(500)의 2차 밀봉부(520)를 캡 조립체(400) 방향으로 구부릴 수 있다. 이 때, 상기 1차 크림핑 단계와 달리, 2차 크림핑 단계는 완전히 밀폐 및 고정되는 수준의 크림핑 결합은 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 활성화 단계에서 발생한 가스가 배출된 후 완전히 밀폐된 이차전지를 제조할 수 있다.

본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법에 따르면, 전지 케이스와 가스켓에 각각 케이스 홈 및 가스켓 홈을 마련하고, 1차 크림핑부와 2차 크림핑부를 단계적으로 형성함으로써, 활성화 단계 초반에 발생한 내부 가스를 배출한 후 밀폐된 구조의 이차전지를 제조할 수 있다. 따라서, 배출되지 못한 가스로 인해 유발되는 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제를 예방할 수 있다. 또한, 전지의 초기용량, 안정적 고체 전해질 계면(SEI) 형성, 수명성능발현 특성 등에 악영향을 끼치는 것을 방지할 수 있다.

이하에서는, 도 11 및 도 12 등을 참고하여, 본 발명의 변형 실시예에 따른 가스켓에 대해 설명하도록 한다.

도 11은 본 발명의 변형 실시예에 따른 가스켓에 대한 사시도이다. 도 12는 도 11의 가스켓으로부터 분리된 1차 밀봉부를 나타낸 사시도이다.

도 11을 참고하면, 본 발명의 변형 실시예에 따른 가스켓(500’)은, 가스켓 홈(500G)에 의해 구분되는 1차 밀봉부(510) 및 2차 밀봉부(520)를 포함할 수 있다. 여기까지는 앞서 설명한 가스켓(500)의 구조와 동일하다. 본 실시예에 따른 1차 밀봉부(510)는 돌출된 가스켓 그립(grip)부(511)를 포함할 수 있다. 1차 밀봉부(510)로부터 돌출되어 있다면, 가스켓 그립부(511)의 위치와 돌출 방향에 특별한 제한은 없다. 다만, 공정상의 편의를 위해 즉, 가스켓 그립부(511)는 상측 단부(500U)에 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 한편, 돌출 방향 역시 제한이 없으므로, 1차 밀봉부(510)가 형성하는 원주의 외측으로 돌출되거나 내측으로 돌출될 수 있다.

한편, 1차 밀봉부(510)에는, 가스켓 홈(500G)에서부터 가스켓(500’)의 상측 단부(500U)까지 이어지는 보조 홈(510G)이 형성될 수 있다. 이러한 보조 홈(510G)은 가스켓(500)의 상측 단부(500U) 중 가스켓 그립부(511)와 인접한 부분까지 이어질 수 있다.

앞서 설명한 바 대로, 1차 크림핑부(C1)를 제거함에 있어, 가스켓 홈(500G)을 경계로 1차 밀봉부(510)를 제거할 수 있다. 이 때, 본 실시예에 따른 가스켓(500’)에서는 가스켓 그립부(511)를 잡은 채 1차 밀봉부(510)을 뜯어 내어 제거할 수 있다. 또한, 보조 홈(510G)이 형성됨에 따라, 1차 밀봉부(510)가 보조 홈(510G) 및 가스켓 홈(500G)을 따라 자연스럽게 2차 밀봉부(520)와 분리될 수 있다. 가스켓(500’)으로부터 1차 밀봉부(510)가 분리된 모습은 도 12에 나타나 있다.

본 실시예에 따르면, 가스켓(500’)에 가스켓 그립부(511) 및 보조 홈(510G)이 형성됨에 따라, 1차 크림핑부(C1)를 제거할 때, 1차 밀봉부(510)가 불규칙하게 제거되는 것을 방지하여 제조 공정성이 향상될 수 있다.

본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.

앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차전지가 복수로 구성되어 전지 모듈을형성할 수 있다. 이러한 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.

본 실시예에 따른 이차전지, 전지 모듈 또는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

200: 전극 조립체
300: 전지 케이스
300G: 케이스 홈
400: 캡 조립체
500: 가스켓
500G: 가스켓 홈

Claims

전극 조립체;
상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스;
상기 전지 케이스의 개방된 상부에 위치하는 캡 조립체; 및
상기 전지 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 위치하는 가스켓을 포함하고,
상기 전지 케이스 중 상기 전지 케이스의 상측 단부로부터 이격된 부분에 케이스 홈(case groove)이 형성되고,
상기 가스켓 중 상기 가스켓의 상측 단부로부터 이격된 부분에 가스켓 홈(gasket groove)이 형성되는 이차전지.
제1항에서,
상기 가스켓 홈은 상기 가스켓의 일면에서 상기 가스켓의 두께 방향으로 만입된 구조를 형성하는 이차전지.
제1항에서,
상기 가스켓 홈은 상기 가스켓의 원주 방향을 따라 이어지는 이차전지.
제1항에서,
상기 가스켓은, 상기 가스켓의 상기 상측 단부에서부터 상기 가스켓 홈까지의 영역인 1차 밀봉부를 포함하고,
상기 1차 밀봉부는 상기 가스켓의 상기 상측 단부 방향으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 이차전지.
제1항에서,
상기 케이스 홈은 상기 전지 케이스의 일면에서 상기 전지 케이스의 두께 방향으로 만입된 구조를 형성하는 이차전지.
제1항에서,
상기 케이스 홈은 상기 전지 케이스의 원주 방향을 따라 이어지는 이차전지.
제1항에서,
상기 가스켓과 상기 캡 조립체 사이에 위치한 실링 부재를 더 포함하는 이차전지.
제1항에서,
상기 가스켓은, 상기 가스켓의 상기 상측 단부에서부터 상기 가스켓 홈까지의 영역인 1차 밀봉부를 포함하고,
상기 1차 밀봉부는, 돌출된 가스켓 그립부를 포함하며,
상기 1차 밀봉부에 상기 가스켓 홈에서부터 상기 가스켓의 상기 상측 단부까지 이어지는 보조 홈이 형성되는 이차전지.
전극 조립체를 상부가 개방된 전지 케이스에 수납하는 단계;
상기 전지 케이스의 개방된 상부에 캡 조립체와 가스켓을 위치시키는 단계;
상기 전지 케이스의 1차 결합부와 상기 가스켓의 1차 밀봉부를 상기 캡 조립체 방향으로 구부려 1차 크림핑(Crimping)부를 형성하는 1차 크림핑 단계;
상기 전극 조립체를 활성화하는 활성화 단계;
상기 1차 크림핑부를 제거하고, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스를 외부로 배출하는 가스 배출 단계; 및
상기 전지 케이스와 상기 가스켓을 상기 캡 조립체 방향으로 구부려 2차 크림핑부를 형성하는 2차 크림핑 단계를 포함하고,
상기 전지 케이스의 상측 단부로부터 이격된 부분에 케이스 홈(groove)이 형성되고, 상기 1차 결합부는 상기 전지 케이스의 상기 상측 단부에서부터 상기 케이스 홈까지의 영역이며,
상기 가스켓의 상측 단부로부터 이격된 부분에 가스켓 홈(groove)이 형성되고, 상기 1차 밀봉부는 상기 가스켓의 상기 상측 단부에서부터 상기 가스켓 홈까지의 영역인 이차전지의 제조 방법.
제9항에서,
상기 1차 크림핑 단계는, 상기 캡 조립체 상에 고리 형상의 와셔를 위치시키는 단계; 및 상기 1차 결합부와 상기 1차 밀봉부를 상기 와셔 방향으로 구부리는 단계를 포함하는 이차전지의 제조 방법.
제10항에서,
상기 가스 배출 단계는, 상기 와셔를 제거하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조 방법.
제9항에서,
상기 1차 밀봉부는 상기 가스켓의 상기 상측 단부 방향으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 이차전지의 제조 방법.
제9항에서,
상기 가스 배출 단계에서, 상기 케이스 홈을 경계로 상기 1차 결합부를 제거하고, 상기 가스켓 홈을 경계로 상기 1차 밀봉부를 제거함으로써, 상기 1차 크림핑부를 제거하는 이차전지의 제조 방법.
제13항에서,
상기 2차 크림핑 단계에서, 상기 1차 결합부가 제거된 전지 케이스의 2차 결합부를 상기 캡 조립체 방향으로 구부리고, 상기 1차 밀봉부가 제거된 가스켓의 2차 밀봉부를 상기 캡 조립체 방향으로 구부리는 이차전지의 제조 방법.
제13항에서,
상기 1차 밀봉부는 가스켓 그립(grip)부를 포함하고,
상기 1차 결합부는 케이스 그립부를 포함하며,
상기 가스켓 그립부 및 상기 케이스 그립부를 각각 잡아 당김으로써, 상기 1차 밀봉부 및 상기 1차 결합부를 제거하는 이차전지의 제조 방법.