KR20220056057A - 이차전지 제조방법 및 이차전지 - Google Patents

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김현태
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Abstract

본 발명은 이차전지 제조방법 및 이차전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은 파우치 부분을 아크 형태로 슬릿(Slit) 커팅하여 커팅부를 형성시키는 커팅공정; 상기 커팅 공정을 거친 후 파우치에 절곡된 형태의 전극 조립체가 수용되도록 절곡된 형태의 수용부를 형성시키는 포밍공정; 상기 포밍공정 후에 상기 파우치의 수용부에 상기 전극 조립체를 수용시키는 수용공정을 포함하고, 상기 커팅공정은 절곡된 형태의 상기 수용부에서 내측 코너부와 인접된 파우치 부분에 상기 커팅부를 형성시킨다.

Description

이차전지 제조방법 및 이차전지{RECHARGEABLE BATTERY MANUFACTURING METHOD AND RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차전지 제조방법 및 이차전지에 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. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
또한, 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.
최근에는, 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치(Pouch)형 전지 케이스(Case)에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
L형태 파우치형 전지의 경우 파우치 포밍 시 L형태(shape) 구간에서 파우치 크랙(Crack)이 발생하고, 알루미늄(AL) 잔존량 기준을 만족 못하는 경우가 발생되어 왔다.
한국 공개특허 제10-2012-0067550호
본 발명의 하나의 관점은 절곡된 형태의 파우치형 전지의 파우치 포밍(Forming) 시, 절곡 구간에 발생되는 크랙을 방지하고, 알루미늄 잔존량을 개선시킬 수 있는 이차전지 제조방법 및 이차전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법은 파우치 부분을 아크 형태로 슬릿(Slit) 커팅하여 커팅부를 형성시키는 커팅공정; 상기 커팅 공정을 거친 후 파우치에 절곡된 형태의 전극 조립체가 수용되도록 절곡된 형태의 수용부를 형성시키는 포밍공정; 상기 포밍공정 후에 상기 파우치의 수용부에 상기 전극 조립체를 수용시키는 수용공정을 포함하고, 상기 커팅공정은 절곡된 형태의 상기 수용부에서 내측 코너부와 인접된 파우치 부분에 상기 커팅부를 형성시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법을 제조된 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따르면, 절곡 형태 파우치형 전지의 파우치 포밍(Forming) 시, 파우치에서 절곡 형태의 수용부 인접 구간에 아크 슬릿 컷(Arc slit cut)을 실시하여 절곡 형태 구간에 발생되는 응력을 해소하여 크랙을 방지하고, 알루미늄 잔존량을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 커팅공정을 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 포밍공정을 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 수용공정을 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 실링공정을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 파우치에 형성되는 커팅부의 제 1예를 나타난 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 파우치에 형성되는 커팅부의 제 2예를 나타난 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 파우치에 형성되는 커팅부의 제 3예를 나타난 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 커팅공정 및 포밍공정을 거친 파우치의 각 부분을 참조 표시한 평면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 파우치의 P6 부분의 씨닝(thinning) 비율(ratio)을 나타낸 이미지이다.
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.
실시예에 따른 이차전지 제조방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 커팅공정을 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 포밍공정을 나타낸 평면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 수용공정을 나타낸 평면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 실링공정을 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법은 파우치(110)에 수용부(112)를 형성시키는 포밍공정, 수용부(112)에서 내측 코너부(113)와 인접된 파우치(110) 부분을 커팅하는 커팅부(111)를 형성시키는 커팅공정, 및 포밍공정 후에 파우치(110)에 전극 조립체(120)를 수용시키는 수용공정을 포함하여 이차전지(100)를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법은 파우치(110)를 밀봉시키는 실링공정을 더 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예인 이차전지 제조방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 커팅공정은 파우치(110)의 일부를 아크 형태로 슬릿(Slit) 커팅하여 커팅부(111)를 형성시킨다.
또한, 커팅공정은 이후 공정에서 전극 조립체(120)를 수용시킬 수용부(112)가 형성될 위치를 감안하여 커팅부(111)를 형성시킬 수 있다. 즉, 커팅 공정은 절곡된 형태의 수용부(112)에서 내측 코너부(113)와 인접된 파우치(110) 부분에 커팅부(111)를 형성시킬 수 있다.
아울러, 커팅공정은 파우치(110) 수용부(112)의 내측 코너부(113)를 향해 볼록한 아크(Arc) 형태로 커팅부(111)를 형성시킬 수 있다.
그리고, 커팅공정은 커팅부(111)를 평면도 상으로 아크형 커팅라인으로 형성시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 파우치에 형성되는 커팅부의 제 1예를 나타난 평면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 파우치에 형성되는 커팅부의 제 2예를 나타난 평면도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 파우치에 형성되는 커팅부의 제 3예를 나타난 평면도이다.
한편, 도 5 내지 도 7을 참고하면, 커팅공정은 커팅부(111)의 아크형 커팅라인을 예를 들어 60~285°(도)의 원호 형태로 형성시킬 수 있다. 여기서, 커팅공정은 커팅부(111)의 아크형 커팅라인을 60도 이상으로 형성시켜 파우치 씨닝(Thinning)을 효과적으로 개선시킬 수 있고, 285도 이하로 형성시켜 아크형 커팅라인으로 절개된 파우치(110) 부분이 찢어지거나 이탈되지 않도록하여 파우치 씨닝(Thinning)을 효과가 구현되록 할 수 있다.
그리고, 커팅공정은 커팅부(111)의 아크형 커팅라인을 구체적으로 예를 들어 120~210도의 원호 형태로 형성시킬 수 있다. 이때, 커팅공정은 커팅부(111)의 원호 반지름을 예를 들어 4~12mm로 형성시킬 수 있다.
한편, 보다 구체적으로 예를 들어, 도 5를 참고할 때 커팅공정은 커팅부(111)의 아크형 커팅라인의 각도(t1)를 제1 예로 120도로 형성시키거나, 도 6을 참고할 때 커팅부(111)의 아크형 커팅라인의 각도(t2)를 제2 예로 180도로 형성시키거나, 커팅부(111)의 아크형 커팅라인의 각도(t3)를 도 7을 참고할 때 제3 예로 210도로 형성시킬 수 있다.
또한, 커팅공정은 커팅부(111)를 수용부(112)와 일정간격 이격시켜 형성시킬 수 있다. 즉, 커팅공정은 이후 포밍공정에서 형성될 수용부(112)의 위치를 감안하여 일정간격 이격되도록 형성시킬 수 있다. 이때, 커팅공정은 예를 들어 커팅부(111)와 수용부(112)의 간격(b)을 4~12mm로 형성시킬 수 있다.
한편, 파우치(110)는 알루미늄(Al) 재질을 포함할 수 있다. 이때, 예를 들어 파우치(100)는 알루미늄층 및 수지층을 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면, 포밍(Formin)공정은 커팅 공정을 거친 후 파우치(110)에 절곡된 형태의 전극 조립체(120)가 수용되도록 절곡된 형태의 수용부(112)를 형성시킬 수 있다. 여기서, 수용부(112)는 예를 들어 컵(Cup) 형태의 홈으로 형성될 수 있다. 이때, 수용부(112)는 상부로 개방된 형태로 형성될 수 있다. 이때, '절곡된 형태'란 전극 조립체(120) 및 수용부(112)가 외력에 의해 굽혀진 것을 의미 하는 것이 아니라, 예를 들어 수직으로 연장된 형상을 의미하는 것일 수 있다.
아울러, 포밍공정은 수용부(112)를 전극 조립체(120)와 대응되는 형태로 형성시킬 수 있다.
그리고, 포밍공정은 예를 들어 펀치(Punch)를 통해 파우치(110)를 상부에서 하부로 가압하여 수용부(112)를 형성시킬 수 있다.
여기서, 전극 조립체(120)는 직각으로 절곡된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 전극 조립체(120)는 "L”형태로 절곡된 형태로 형성될 수 있다.
또한, 포밍공정은 수용부(112)를 직각으로 절곡된 형태로 형성시킬 수 있다. 이때, 포밍공정은 수용부(112)를 “L”형태로 절곡된 형태로 형성시킬 수 있다.
그리고, 포밍공정은 파우치(110)에서 내측 코너부(113)를 평면도 상으로 수용부(112) 방향으로 만입된 형태로 형성시킬 수 있다. 여기서, 내측 코너부(113)는 예를 들어 라운드(Round) 형태로 만입된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 이전 커팅공정에서 내측 코너부(113)와 인접된 거리에 아크 형태의 커팅부(111)를 형성시킴에 따라, 포밍공정에서 내측 코너부(113)를 만입된 형태로 형성 시 발생되는 과도한 응력을 해소하여 크랙이 발생되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 전극 조립체(120)는 충방전이 가능한 발전소자로서, 전극과 분리막이 결집되어 교대로 적층된 구조를 형성한다.
전극은 양극과 음극을 포함할 수 있다. 그리고, 분리막은 양극과 음극을 분리하여 전기적으로 절연시킨다.
분리막은 절연 재질로 이루어져 양극 및 음극과 교대로 적층된다.
또한, 분리막은 예를 들어 미다공성을 가지는 폴리에칠렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
한편, 전극 조립체(120)에 전극 리드(130)가 연결되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 전극 리드(130)는 전극 조립체(120)의 전극과 연결되어 전극을 외부 단자와 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.
도 3을 참고하면, 수용공정은 포밍공정 후에 파우치(110)의 수용부(112)에 전극 조립체(120)를 수용시킬 수 있다.
또한, 수용공정은 전극 조립체(120)가 수용된 수용부(112)의 상부를 덮을 수 있다. 즉, 파우치(110)의 폴딩선(F)을 중심으로 파우치(110)의 일측부에 형성된 수용부(112)를 파우치(110)의 타측부를 파우치(110)의 폴딩선(F)을 중심으로 폴딩하여 덮을 수 있다.
그리고, 전극 조립체(120)의 내측 코너는 파우치(110)에서 만입된 형태로 형성된 내측 코너부(113)에 대응된 형태로 형성될 수 있다. 즉, 전극 조립체(120)의 내측 코너 부분은 파우치(110)의 만입된 형태로 형성된 내측 코너부(113)에 대응되는 형태로 만입된 형태로 형성될 수 있다.
도 4를 참고하면, 실링공정은 파우치(110)의 외주면을 실링하여 파우치(110)를 밀봉할 수 있다. 이때, 실링공정은 파우치(110)의 수용부(112)의 가장자리를 따라 열을 가하여 가압하여 실링부를 형성시킬 수 있다.
아울러, 실링공정은 수용부(112) 및 실링부를 제외한 나머지 부분을 절개하여 제거하는 제거단계를 포함할 수 있다. 이때, 제거단계는 파우치(110)의 커팅부(111)를 포함하여 제거할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법은, 절곡 형태 파우치형 전지의 파우치(110) 포밍(Forming) 시, 파우치(110)에서 절곡 형태로 수용부(112)가 형성되는 인접 구간(A)에 아크 슬릿 컷(Arc slit cut)을 실시하여, 절곡 형태의 수용부(112) 인접 구간(A)에 발생되는 응력을 해소하여 크랙을 방지하고, 알루미늄 잔존량을 개선시킬 수 있다.
한편, 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법으로 제조된 제품일 수 있다.
< 제조예 1 >
도 5를 참고하면, 파우치(110') 부분을 아크 형태로 슬릿 커팅하여 커팅부(111')를 형성시키고, 절곡된 형태의 수용부(112)를 형성시켰다. 이때, 절곡된 형태의 수용부(112)에서 내측 코너부와 인접된 파우치(110') 부분에 상기 커팅부(111')를 형성시켰다. 여기서, 커팅부(111')는 각도(t1)가 120도인 원호가 되도록 형성시켰다. 그리고, 커팅부(111')의 반지름(R)이 8mm, 커팅부(111')와 수용부(112)와의 이격거리(b)는 8mm가 되도록 커팅부(111')를 형성시켰다.
< 제조예 2 >
도 6을 참고하면, 파우치(110")의 커팅부(111'')의 각도(t2)가 180도의 원호가 되도록 형성된 것을 제외하고, 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.
< 제조예 3 >
도 7을 참고하면, 파우치(110"')의 커팅부 커팅부(111''')의 각도(t3)가 210도의 원호가 되도록 형성된 것을 제외하고, 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.
< 비교예 1 >
파우치에 커팅부를 직선형태로 슬릿 컷팅하여 형성시킨 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.
< 실험예 1 >
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 커팅공정 및 포밍공정을 거친 파우치의 각 부분을 참조 표시한 평면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 파우치의 P6 부분의 씨닝(thinning) 비율(ratio)을 나타낸 이미지이다.
여기서, 도 8에 도시된 파우치 각 부분의 파우치 최대 씨닝(Thinning)비율의 측정을 위해 FEA simulation을 진행하여, 하기 표 1에 나타냈었다. 그리고, 도 8에 도시된 내측 코너부 P6 부분의 파우치 씨닝(Thinning)비율을 측정하여, 도 9의 이미지로 나타내었다. 이때, 도 9(a),9(b),9(c),9(d)의 순서대로 비교예 1, 제조예 1, 제조에 2, 제조예 3의 내측 코너부인 P6 부분의 파우치 씨닝(Thinning)을 나타내었다.(도 8 참조)
Round Slit Cutting Max, Thinning (%)
P1 P2 P3 P4 P5 P6
비교예 1 0°
Straight		 26.32 33.67 34.01 22.74 35.12 46.31
제조예 1 120° 26.63 33.98 34.23 22.50 35.01 45.80
제조예 2 180° 25.90 33.05 34.06 22.40 34.87 45.29
제조예 3 210° 25.99 34.30 34.72 22.84 34.50 44.46
표 1을 참고하면, 파우치의 커팅부를 직선 슬릿 커팅을 한 비교예 1 보다 아크 스릿 커팅을 한 제조예 1 내지 3에서 파우치 씨닝(Thinning) 개선 효과를 확인할 수 있다.특히, 파우치의 내측 코너부인 P6 부분에서 파우치 씨닝(Thinning)비율은, 비교예 1에서 46.31%, 제조예 1에서 45.80%, 제조예 2에서 45.29%, 제조예 3에서 44.46%를 나타낸다. 여기서, 파우치의 P4 부분에서 P6 부분으로 유입량이 증가하여 파우치 씨닝(Thinning) 값이 작아지게되어, Al 잔존량이 개선됨을 알 수 있다. 즉, 파우치의 내측 코너부인 P6 부분에서 비교에 1 보다 제조예 1 내지 3에서 약 3.5%의 파우치 씨닝(Thinning) 개선 효과를 확인할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 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: 이차전지
110: 파우치
111, 111', 111", 111''': 커팅부
112: 수용부
113: 내측 코너부
120: 전극 조립체
130: 전극 리드

Claims (11)

  1. 파우치 부분을 아크 형태로 슬릿(Slit) 커팅하여 커팅부를 형성시키는 커팅공정;
    상기 커팅 공정을 거친 후 파우치에 절곡된 형태의 전극 조립체가 수용되도록 절곡된 형태의 수용부를 형성시키는 포밍공정;
    상기 포밍공정 후에 상기 파우치의 수용부에 상기 전극 조립체를 수용시키는 수용공정을 포함하고,
    상기 커팅공정은 절곡된 형태의 상기 수용부에서 내측 코너부와 인접된 파우치 부분에 상기 커팅부를 형성시키는 이차전지 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체는 직각으로 절곡된 형태로 형성되고,
    상기 포밍공정은 상기 수용부를 직각으로 절곡된 형태로 형성시키는 이차전지 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체는 L”형태로 절곡된 형태로 형성되고,
    상기 포밍공정은 상기 수용부를 “L”형태로 절곡된 형태로 형성시키는 이차전지 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 포밍공정은 상기 수용부를 상기 전극 조립체와 대응되는 형태로 형성시키는 이차전지 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 커팅공정은 상기 파우치에 절곡된 형태의 상기 수용부에서 내측 코너부를 향해 볼록한 아크(Arc) 형태로 상기 커팅부를 형성시키는 이차전지 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 커팅공정은
    상기 커팅부를 평면도 상으로 아크형 커팅라인으로 형성시키는 이차전지 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 커팅공정은
    상기 커팅부의 상기 아크형 커팅라인을 60~285도의 원호 형태로 형성시키는 이차전지 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 커팅공정은
    상기 커팅부의 상기 아크형 커팅라인을 120~210도의 원호 형태로 형성시키는 이차전지 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 커팅공정은
    상기 커팅부를 상기 수용부와 일정간격 이격시켜 형성시키는 이차전지 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 포밍공정은 파우치의 내측 코너부를 평면도 상으로 수용부 방향으로 만입된 형태로 형성시키는 이차전지 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10에 기재된 이차전지 제조방법으로 제조된 이차전지.
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