KR20220127565A - 이차전지 제조방법 및 이에 따라 제조된 이차전지 - Google Patents

이차전지 제조방법 및 이에 따라 제조된 이차전지 Download PDF

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KR20220127565A
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조은수
김성엽
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Abstract

본 발명은 내부에 수납 공간을 구비하는 파우치를 제공하는 단계; 상기 파우치의 내부에 전극조립체를 수납하는 단계; 상기 전극조립체가 수납된 파우치를 진공 압축하여 전극조립체의 형상으로 포밍하는 단계; 및 진공을 해제하고 상기 파우치를 커팅하는 단계를 포함하는 이차전지 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 전극조립체가 수납되는 공간을 보다 정확한 크기 및 사이즈로 보다 정밀하게 포밍할 수 있고, 파우치 실링시 주름 및 미 충전 영역의 발생을 방지할 수 있다.

Description

이차전지 제조방법 및 이에 따라 제조된 이차전지 {METHODE FOR PREPARING OF SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY PREPARED THEREBY}
본 발명은 이차전지 제조방법 및 이에 따라 제조된 이차전지에 관한 것이다.
최근 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 연구가 다양하게 행해지고 있다. 특히, 이러한 장치의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가지면서 우수한 수명 및 사이클 특성을 가지는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이차전지는 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 전기자동차와 같은 다양한 분야에 적용되며 활발한 연구가 진행 중이다. 한편, 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있으며, 이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류될 수 있는데, 이 중 파우치형 이차 전지는 전극조립체가 금속 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 내장되어 있는 이차 전지이다. 파우치형 이차 전지는 제조가 용이하고 제조 원가가 낮으며 복수의 단위 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 대용량의 전지 팩을 구성하기 쉽다는 장점이 있다.
기존의 파우치 포밍(forming) 방법에서는 배터리 용량에 맞는 전극조립체, 예를 들어 젤리롤(jelly roll)형 전극조립체의 크기 및 두께를 산정하고, 이에 맞게 파우치 필름에 전극조립체가 수납될 수 있는 요홈을 형성하는 방식으로, 파우치를 포밍하고 있으며, 구체적으로, 이때 상부 펀치(punch)와 하부(die)를 이용해 전극조립체 형상 및 크기에 맞도록, 파우치를 포밍하고 있다. 그러나, 이러한 방식으로는 전극탭의 무지부와 탭 필름이 부착되는 탭 필름 부착부의 형상이 파우치에 생성 되지 않아, 실링시 주름 및 미 충전 영역 발생하는 등의 불량을 야기하는 문제가 있다.
한국 공개 특허 제 10-2019-0030423호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 전극조립체가 수납되는 공간을 보다 정확한 크기로 정밀하게 포밍할 수 있고, 파우치 실링시 주름 및 미 충전 영역의 발생을 방지할 수 있는 이차전지 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 수납 공간을 구비하는 파우치를 제공하는 단계; 상기 파우치의 내부에 전극조립체를 수납하는 단계; 상기 전극조립체가 수납된 파우치를 진공 압축하여 전극조립체의 형상으로 포밍하는 단계; 및 진공을 해제하고 상기 파우치를 커팅하는 단계를 포함하는 이차전지 제조방법이 제공된다.
상기 전극조립체의 형상으로 포밍하는 단계 이후, 파우치를 가압하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 파우치를 가압하는 단계는 롤러, 하이드로 포밍 및 가압지그로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 이상을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 진공 압축에 의해 전극 탭 및 상기 전극 탭 상에 부착되는 탭 필름을 포함하는 전극조립체의 형상으로 포밍될 수 있다.
상기 진공 압축에 의해 전극 탭 및 상기 전극 탭 상에 부착되는 탭 필름을 포함하는 전극조립체 및 가스방을 포함하는 형상으로 포밍될 수 있다.
상기 전극조립체는 온도 조절 기능을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제조 방법으로 제조된 이차전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 전극조립체가 수납되는 공간을 보다 정확한 크기 및 사이즈로 보다 정밀하게 포밍할 수 있고, 파우치 실링시 주름 및 미 충전 영역의 발생을 방지하며 실링 공정 중 파우치의 변화를 최소화할 수 있다.
또한, 파우치 외장재를 포밍하기 위한 금형이 요구되지 않으며, 공정의 단계를 현저하게 저감하여, 경제성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 외장재를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 전극 탭이 양방향으로 돌출된 전극조립체를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 전극 탭이 단일 방향으로 돌출된 전극조립체를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 파우치 내부에 전극 탭이 양방향으로 돌출된 전극조립체 및 가스방이 수납되는 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 파우치 내부에 전극 탭이 단방향으로 돌출된 전극조립체 및 가스방이 수납되는 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 파우치 내부에 전극 탭이 양방향으로 돌출된 전극조립체를 수납하고, 진공압축한 후 커팅하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 파우치 내부에 전극 탭이 단방향으로 돌출된 전극조립체를 수납하고, 진공압축한 후 커팅하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 수납 공간을 구비하는 파우치를 제공하는 단계; 상기 파우치(100)의 내부에 전극조립체(20)를 수납하는 단계; 상기 전극조립체(20)가 수납된 파우치(100)를 진공 압축하여 전극조립체(20)의 형상으로 포밍하는 단계; 및 진공을 해제하고 상기 파우치(100)를 커팅하는 단계를 포함하는 이차전지 제조방법이 제공된다.
먼저, 이차전지의 외장재로서, 파우치를 제공하는 단계가 수행된다. 상기 파우치는 내부에 전극조립체 등을 수납할 수 있는 공간을 구비하는 일체의 변형예를 포함한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 외장재를 개략적으로 나타낸 것으로, 상기 파우치는 3면이 실링되고 개방된 부분을 통해 내부에 전극조립체 등을 수납할 수 있는 공간이 마련된 봉지 형태의 파우치일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나, 파우치 필름을 폴딩(folding)한 후, 상면을 제외한 양측면을 실링하는 방식으로 파우치를 제공할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과하며, 파우치 폴딩부를 제외한 3면 모두에서 진공흡착을 수행하여 전극조립체의 형상으로 포밍하는 경우에는 파우치의 좌측 및 우측 말단이 실링되어 있지 않아도 무방하다.
한편, 파우치 필름은 특별하게 한정하는 것은 아니나, 내부수지층, 금속층 및 외부수지층을 포함하는 다층 구조로 이루어질 수 있으며, 보다 상세하게는, 열접착성을 가져 실링제 역할을 하는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene, cPP) 또는 폴리프로필렌(poly propylene, PP) 등의 폴리올레핀 또는 이들의 공중합체에 의한 접착층으로 구성된 내부수지층, 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속박층인 알루미늄층, 상기 전지 셀을 외부의 충격으로부터 보호하기 위하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)수지, 폴리에틸렌 나프탈레이트(Poly ethylene naphthalate, PEN), 나일론(Nylon)수지 또는 액정고분자수지(Liquid Crystal Polymer, LCP) 등의 기능성 고분자 필름이 외부수지층을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 파우치(100)의 내부에 전극조립체(20)를 수납하는 단계가 수행될 수 있다. 전극조립체(20)는 외부로 돌출되는 전극탭(30) 및 상기 전극탭(30)의 일측면에 부착되는 탭 필름(10)을 포함할 수 있으며, 상기 탭 필름(10)은 파우치와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 전극탭(30)의 단부에 부착되어 있다.
전극탭(30)은 예를 들어, 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 크롬, 금, 은, 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 합금이 사용될 수 있으며, 탭 필름(10)은 스티렌-부타디엔 수지, 스티렌 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지, 아미드 수지 및 아크릴레이트 수지로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
전극조립체(20)는 양극, 음극 및 분리막을 포함하며, 본 발명에서는 실장되는 전극조립체(20)가 사용될 수도 있으나, 전극조립체(20)의 모형이 사용될 수도 있다. 한편, 전극조립체는 양극활물질을 포함하는 양극과, 음극활물질을 포함하는 음극, 및 분리막을 포함하며, 양극은, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조될 수 있다. 한편, 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로는 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄으로 이루어진 적어도 1종의 전이금속과 리튬을 포함하는 리튬 전이금속 복합 산화물, 바람직하게는 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 전이금속과 리튬을 포함하는 리튬 전이금속 복합 산화물을 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질층은 양극 바인더를 추가로 포함할 수 있으며, 바인더는 활물질과 도전재 등의 결착과 집전체에 대한 결착에 조력하는 성분이다. 이러한 양극 바인더로는 구체적으로 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무 및 불소 고무로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종, 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극 활물질 층은 도전성을 향상시키기 위해, 흑연, 카본 블랙, 금속 분말 및 도전성 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 도전재를 추가로 포함할 수 있다.
음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다. 음극 집전체는, 해당 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 재료는 비정질 카본 또는 정질 카본을 포함하며, 구체적으로는 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (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, and Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
한편, 전극조립체(20)의 형상은 특별하게 한정되지 않는다. 도 2는 전극탭이 양방향으로 돌출된 형태의 전극조립체를 포함하는 전지셀(200)을 예시적으로 도시한 것이고, 도 3은 전극탭이 단방향으로 돌출된 형태의 전극조립체를 포함하는 전지셀(300)을 예시적으로 도시한 것이다. 본 발명에 따른 파우치 외장재의 제조방법은 전지셀의 형상과는 무관하게 적용될 수 있다. 도 4는 파우치 내부에 전극 탭이 양방향으로 돌출된 전극조립체 및 가스방이 수납되는 형상을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 5는 파우치 내부에 전극 탭이 단방향으로 돌출된 전극조립체 및 가스방이 수납되는 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
파우치의 내부에 전극조립체(20)를 수납하는 단계 이후, 상기 전극조립체(20)가 수납된 파우치를 진공 압축하여 전극조립체(20)의 형상으로 포밍하는 단계가 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 진공 압축에 의해 전극 탭(30), 상기 전극 탭 상에 부착되는 탭 필름(10) 및 전극탭과 탭 필름이 형성된 부분 사이의 무지부를 포함하는 전극조립체(20)의 형상으로 포밍될 수 있으며, 또한, 전극 탭(30), 상기 전극 탭 상에 부착되는 탭 필름(10) 및 전극탭과 탭 필름이 형성된 부분 사이의 무지부를 포함하는 전극조립체(20) 및 가스방을 포함하는 형상으로 포밍될 수도 있다.
기존의 금형을 이용하여, 파우치 필름에 전극조립체(20)가 수납될 수 있는 요홈을 형성하는 방식으로 파우치를 포밍하는 경우에는 전극조립체(20)의 크기 및 두께만을 고려하여 요홈을 형성하므로, 전극탭(30), 탭 필름(10) 및 전극탭(30)과 탭 필름(10)이 형성된 부분 사이의 무지부의 형태는 반영되지 않는 단점이 있다. 또한, 금형의 마모 및 교체에 따른 비용의 소모 또한 빈번하게 발생한다. 그러나, 본 발명에서와 같이, 전극탭(30) 및 상기 전극탭(30)의 적어도 일측면에 부착되는 탭 필름(10)을 구비하는 전극조립체(20)가 수납된 파우치를 진공 압축하여 전극조립체(20)의 형상으로 포밍하는 경우, 전극탭(30), 탭 필름(10) 및 전극탭(30)과 탭 필름(10)이 형성된 부분 사이의 무지부의 형태 및 두께까지 반영하여 파우치를 포밍할 수 있으며, 기존의 방식 대비 파우치의 형상 변화를 최소화할 수 있다. 또한, 전해액 및 예상되는 가스발생량 등을 고려하여, 가스방(400) 또한 의도하는 공간에 하나의 공정으로 포밍할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 파우치에 홈을 형성하기 위한 펀치 및 다이를 포함하는 금형 없이도, 파우치를 포밍할 수 있으므로, 작업성 및 경제성을 확보할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극조립체(20)의 형상으로 포밍하는 단계 이후, 파우치를 가압하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 가압하는 단계는 특별하게 한정되지 않으나, 예를 들어, 롤러, 하이드로 포밍 및 가압지그로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 이상을 이용하여 수행될 수 있다. 이러한 가압 단계를 수행함으로써, 보다 정밀한 형상으로 포밍할 수 있을 뿐만 아니라, 진공 압축에 따라 발생할 수 있는 주름을 방지할 수 있다.
또한, 상기 전극조립체(20)는 온도 조절 기능을 구비하는 것이 바람직하다. 파우치 내부에 배치되는 전극조립체(20)가 온도 조절 기능을 구비함으로써, 파우치를 구성하는 알루미늄층의 연신율을 제어할 수 있어, 포밍시 유리한 효과가 있으며, 진공압축 및 가압을 수행함에 있어서, 크랙(crack)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
전극조립체의 온도 조절 기능은 다양한 방식에 의해 구현될 수 있으며, 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들어, 전극조립체의 적어도 일면에 열적으로 접촉되는 열전소자 및 열전소자가 방출하는 열을 전극조립체로 전달하고, 상기 전극조립체의 열을 흡수하여 열전소자부로 전달하는 방열판을 이용하여, 전극조립체의 온도를 조절할 수 있다. 또한, 전극조립체의 모형이 알루미늄 등의 금속 재질로 제조되는 경우에는 전극조립체 모형 내부에 열선을 배치하여 온도의 제어를 수행할 수 있다.
다음으로, 진공을 해제하고 상기 봉지형 파우치를 커팅하는 단계가 수행될 수 있다. 상기 파우치를 커팅하는 단계는 실제 실링되는 부분으로 커팅하는 방식으로 수행되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 전극조립체의 최외곽부, 즉, 탭 필름(10)의 말단을 따라 커팅하는 되는 것이 바람직하다. 상술한 것과 같이, 탭 필름(10)은 전극탭(30)의 단부에서 파우치와 실링되므로, 도 6 및 도 7에서와 같이, 탭 필름(10)의 말단을 따라 이어진 일종의 절단선(500)을 따라, 커팅되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 실제 실링하는 부분을 포함하여 커팅을 진행하여 실링 단계에서 인장 되는 파우치의 부분을 최소화하고, 이에 따라, 절연 파괴 감소의 이점을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 방법으로 제조된 이차전지가 제공되며, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체가 수납되는 공간이, 보다 정확한 크기로 정밀하게 포밍되고, 파우치 실링에 따른 주름 및 미 충전 영역의 발생을 방지하여, 파우치의 변화가 최소한으로 억제될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10: 탭 필름
20: 전극조립체
30: 전극탭
100: 파우치
200, 300: 전지셀
400: 가스방
500: 절단선

Claims (7)

  1. 내부에 수납 공간을 구비하는 파우치를 제공하는 단계;
    상기 파우치의 내부에 전극조립체를 수납하는 단계;
    상기 전극조립체가 수납된 파우치를 진공 압축하여 전극조립체의 형상으로 포밍하는 단계; 및
    진공을 해제하고 상기 파우치를 커팅하는 단계를 포함하는 이차전지 제조방법.
  2. 제1항에 있어서
    상기 전극조립체의 형상으로 포밍하는 단계 이후, 파우치를 가압하는 단계를 추가로 포함하는 이차전지 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파우치를 가압하는 단계는 롤러, 하이드로 포밍 및 가압지그로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 이상을 이용하여 수행되는 이차전지 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진공 압축에 의해 전극 탭 및 상기 전극 탭 상에 부착되는 탭 필름을 포함하는 전극조립체의 형상으로 포밍되는 이차전지 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서
    상기 진공 압축에 의해 전극 탭 및 상기 전극 탭 상에 부착되는 탭 필름을 포함하는 전극조립체 및 가스방을 포함하는 형상으로 포밍되는 이차전지 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 온도 조절 기능을 구비하는 이차전지 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 이차전지.
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