KR20220167150A - 전해액 주입 장치 및 전지셀 제조 방법 - Google Patents

전해액 주입 장치 및 전지셀 제조 방법 Download PDF

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KR20220167150A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 장치는, 전해액에 진동을 가해주는 진동부; 상기 전해액을 수용하는 전해액 수용부; 및 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스를 포함하는 이차 전지의 개구부에 상기 전해액을 주입하는 주입부를 포함한다.

Description

전해액 주입 장치 및 전지셀 제조 방법{ELECTROLYTE INJECTION APPARATUS AND BATTERY CELL MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 전해액을 전지셀에 주입하는 전해액 주입 장치 및 이를 사용하여 전해액을 전지셀에 주입하는 전지셀 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전해액 주입 시 전지셀 내부에 스트레스가 발생하는 것을 개선한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이러한 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 여기서, 전지 케이스에 내장되는 전극 조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전 소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이 중에서도, 특히 스택형 또는 스택/폴딩형 전극 조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지 케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조 비용, 작은 중량, 용이한 변형 형태 등을 이유로 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
이러한 파우치형 이차 전지를 제조함에 있어서, 전해액은 파우치형 이차 전지 케이스에 전극 조립체가 내장된 상태에서 주입될 수 있다.
도 1은 전지셀 제조 과정에서 종래의 전해액 주입 장치를 사용하여 전지셀에 전해액을 주입하는 것을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래에는, 전극 조립체(11)가 수납부에 장착되어 있는 전지 케이스(12)의 내부에, 전해액 주입 장치(20)의 주입부(23)를 통해 전해액을 주입하였다. 주입부(23)는 전해액 주입 장치(20)의 전해액 수용부(22)로부터 전해액을 전달받을 수 있다.
전해액 주입 장치(20)의 주입부(23)의 단부를 통해 주입되는 전해액은 전지셀(10) 내부의 전극 조립체(11)의 중심부 및 양 단부를 향해 주입될 수 있다. 이 때, 전해액이 분사됨에 따라, 주입부(23)와 인접한 영역에 위치한 전극 조립체(11)에 스트레스가 가해져 전지셀(10)의 수명이 감소하는 문제가 있다.
따라서, 전해액을 효율적으로 주입하면서도 전해액을 주입할 때 전지셀에 가해지는 스트레스를 낮추는 전해액 주입 장치를 개발할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀 제조 과정에서 전지셀 케이스에 전해액 주입시 케이스의 개구부 주변의 전극에서 발생하는 스트레스를 감소시키는 전해액 주입 장치 및 전지셀 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 장치는, 전해액에 진동을 가해주는 진동부; 상기 전해액을 수용하는 전해액 수용부; 및 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스를 포함하는 이차 전지의 개구부에 상기 전해액을 주입하는 주입부를 포함할 수 있다.
상기 진동부는, 진동자를 포함할 수 있다.
상기 진동부는, 초음파 진동자를 포함할 수 있다.
상기 진동부는, 상기 진동자를 이용하여 상기 전해액을 미세입자 상태로 만들 수 있다.
상기 미세입자 상태인 상기 전해액은, 상기 액체 상태의 전해액과 대비하여 밀도가 작을 수 있다.
상기 케이스는 파우치 케이스일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 제조 방법은, 전해액에 진동을 가해주는 진동부, 상기 전해액을 수용하는 전해액 수용부, 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스를 포함하는 이차 전지의 개구부에 상기 전해액을 주액하는 주입부를 포함하는 전해액 주입 장치를 이용하는 이차 전지의 전지셀 제조 방법에 있어서, 상기 개구부에 상기 전해액을 주입하기 전에 상기 전해액에 진동을 가하는 단계; 및 상기 전해액을 상기 개구부에 주입하는 단계를 포함한다.
상기 전해액에 진동을 가하는 단계는, 진동자를 이용하여 상기 전해액에 진동을 가하는 것을 포함할 수 있다.
상기 전해액에 진동을 가하는 단계는, 초음파 진동자를 이용하여 상기 전해액에 진동을 가하는 것을 포함할 수 있다.
상기 전해액에 진동을 가하는 단계에서, 상기 전해액은 액체 상태에서 미세입자 상태로 변환될 수 있다.
상기 미세입자 상태인 상기 전해액은, 상기 액체 상태의 전해액과 대비하여 밀도가 작을 수 있다.
상기 케이스는 파우치 케이스일 수 있다.
실시예에 따르면, 본 발명은 진동부를 포함한 전해액 주입 장치 및 이를 이용한 전지셀 제조 방법으로써, 전해액 주입시 전극 조립체에 발생하는 스트레스를 감소시켜 전지의 수명을 증가시키고 저장 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 전지셀 제조 과정에서 종래의 전해액 주입 장치를 사용하여 전지셀에 전해액을 주입하는 것을 나타낸 도면이다.
도 2는 전지셀 제조 과정에서 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 장치를 사용하여 전지셀에 전해액을 주입하는 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 내부에 장착된 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체와 전지셀을 나타낸 전개도이다.
도 5는 도 2의 전지셀 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입 장치를 설명하기 위한 투시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 장치를 이용한 전지셀 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
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, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 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.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전해액 주입 장치에 대해 설명하고자 한다. 다만, 여기서 전해액 주입 장치의 전후면 중 전면을 기준으로 설명될 것이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 후면인 경우에도 동일하거나 유사한 내용으로 설명될 수 있다.
도 2는 전지셀 제조 과정에서 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 장치를 사용하여 전지셀에 전해액을 주입하는 것을 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 내부에 장착된 전극 조립체를 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체와 전지셀을 나타낸 전개도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지셀(100)은 이차 전지로써, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 이러한 전지 셀(100)은 전지 케이스(120) 내부에 전극 조립체(140) 및 전해액을 포함한다. 또한, 전극 조립체(140)의 전극탭들(미도시됨)과 연결되어 있는 전극 리드(150)가 외부로 노출되어 있고, 전극 리드(150)의 상하부에 리드 필름(미도시됨)이 부착되어 있는 구조로 이루어진다.
전지셀(100)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수개의 전지셀(100)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체를 형성할 수 있다. 이러한 복수개의 전지셀(100)은 각각 전극 조립체(140), 셀 케이스(133) 및 전극 조립체(140)로부터 돌출된 전극 리드(150)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(140)는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터 등으로 구성될 수 있다. 셀 케이스(133)는 전극 조립체(140)를 패키징하기 위한 것으로, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다. 이러한 셀 케이스(133)는 케이스 본체(132) 및 셀 테라스(130)를 포함할 수 있다. 케이스 본체(132)는 전극 조립체(140)를 수용할 수 있다. 이를 위해, 케이스 본체(132)에는 전극 조립체(140)를 수용할 수 있는 수용 공간이 마련되어 있다. 셀 테라스(130)는 케이스 본체(132)로부터 연장되며, 전극 조립체(140)를 밀봉할 수 있도록 실링된다. 이러한 셀 테라스(130)의 일측 및 타측, 구체적으로 셀 테라스(130)의 전방 및 후방(y축 방향)에는 전극 리드(150)가 일부 돌출될 수 있다.
전극 리드(150)는 전극 조립체(140)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 전극 리드(150)는 한 쌍으로 구비될 수 있다. 한 쌍의 전극 리드들(150)의 일부는 각각, 셀 케이스(133)의 전방 및 후방(y축 방향)에서 셀 테라스(130) 밖으로 돌출될 수 있다. 전극 리드(150)는, 전극 조립체(110)의 양극 탭들(미도시됨)과 연결되어 있는 양극 리드(151) 및 전극 조립체(110)의 음극 탭들(미도시됨)과 연결되어 있는 음극 리드(155)를 포함할 수 있다. 다만, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 리드(150)의 위치가 전극 조립체(110)의 양 단부에 위치하는 것에 한정되는 것이 아니며, 양극 리드(151) 및 음극 리드(155)가 전극 조립체(110)의 일면에 함께 위치할 수도 있다. 앞에서 설명한 전지셀(100)의 구성은 한 예이고, 전지셀 적층체를 구성하기 위한 전지셀(100) 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
전지 케이스(120)는 수납부(123), 실링부(124) 및 폴딩부(125)를 포함할 수 있다.
수납부(123)는 전극 조립체(140)를 내장할 수 있다. 구체적으로, 수납부(123)는 제1 수납부(123a) 및 제2 수납부(123b)를 포함할 수 있다. 제1 수납부(123a)와 제2 수납부(123b) 각각에는 전극 조립체(140)의 일부가 내장될 수 있다. 제1 수납부(123a)와 제2 수납부(123b)가 폴딩부(125)를 사이에 두고 서로 마주하도록 접히는 것에 의해 전극 조립체(140)를 감싸도록 수납할 수 있다.
실링부(124)는 전극 조립체(140)가 수납부(123)에 장착되어 있는 상태에서 열융착되어 전지 케이스(120)의 가장자리를 실링할 수 있다. 실링부(124)는 열융착되어 전지 케이스(120)의 가장자리의 일부 영역 또는 전체 영역을 실링할 수 있다. 일 예로, 실링부(124)에서는 제1 수납부(123a)와 제2 수납부(123b)의 열융착층이 서로 접촉하게 되고, 이들이 접촉한 상태에서 열융착 공정을 행하는 것에 의해 전지 케이스(120)가 실링될 수 있다.
실링부(124)에 의해 전지 케이스(120)의 가장자리의 일부 영역이 열융착되면, 전지 케이스(120)는 개구부(127)를 포함할 수 있다. 개구부(127)는 전지 케이스(120)의 적어도 일 측면이 미실링된 영역일 수 있다. 일 예로, 개구부(127)는 전극 조립체(140)의 측면 중 전극 리드(150)가 위치하지 않은 측면과 인접한 수납부(123)의 외주면에 형성될 수 있다.
폴딩부(125)는 제1 수납부(123a)와 제2 수납부(123b) 사이에 위치할 수 있다. 폴딩부(125)를 기준으로 제1 수납부(123a)와 제2 수납부(123b)가 접히면서 전극 조립체(140)를 수납할 수 있다.
구체적으로, 전극 조립체(140)는 평면 형상이 4개의 변을 갖는 형상을 갖는데, 4개의 변 중 일변에 대응하는 부분에 폴딩부(125)가 위치할 수 있다. 폴딩부(125)는 전극 조립체(140)의 측면(141)에 밀착하여, 폴딩부(125)의 양 가장자리에서 라미네이트 시트가 접히는 것에 의해 제1 수납부(123a)와 제2 수납부(123b)가 서로 마주보도록 접힐 수 있다. 따라서 폴딩부(125)의 폭(P)는 전극 조립체(140)의 두께(t)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 5는 도 2의 전지셀 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입 장치를 설명하기 위한 투시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 장치(200)는, 진동부(210), 전해액 수용부(220) 및 주입부(230)를 포함할 수 있다.
진동부(210)는 전지 케이스(120) 내부로 전해액을 주입하기 전에, 전해액에 진동을 가할 수 있다. 진동부(210)는 진동자를 포함할 수 있고, 진동자는 전해액에 진동을 가할 수 있다. 바람직하게, 진동자는 초음파 진동자일 수 있다.
진동부(210)에 포함된 진동자로부터 진동이 가해진 전해액은, 입자 상태가 변환될 수 있다. 진동자로부터 전해액에 진동이 가해지면, 전해액을 구성하는 입자는, 진동이 가해지지 않은 경우보다 진동이 가해진 경우에 더 작아질 수 있다. 바람직하게, 전해액은 액체 상태에서 미세입자 상태로 변환될 수 있다. 진동자로부터 진동이 가해진 미세입자 상태의 전해액은, 진동이 가해지지 않은 액체 상태의 전해액에 비해 밀도가 더 작을 수 있다.
전해액 수용부(220)는 진동부(210)에서 진동을 받아 액체 상태에서 미세입자 상태로 변환된 전해액을 수용 및 저장하고, 주입부(230)로 전달할 수 있다.
주입부(230)는 전지 케이스(120)의 개구부(127)를 통해 전지 케이스(120)의 내부에 위치할 수 있다. 주입부(230)는 전해액 수용부(220)에 저장된 전해액을 전달받아 전지 케이스(120) 내부로 주입할 수 있다. 주입부(230)는 미세입자 상태의 전해액을 전지 케이스(120) 내부로 주입할 수 있다. 이 경우, 액체 상태의 전해액을 전지 케이스(120) 내부로 주입하는 경우에 비해, 주입부(230)와 인접한 영역에 위치하는 전극 조립체(140)에 대해 전해액이 가하는 스트레스가 감소할 수 있어, 전지셀(100)의 수명이 증가될 수 있다. 또한, 액체 상태보다 입자가 작은 미세입자 상태로 전해액이 주입되므로, 보다 많은 양의 전해액이 전지 케이스(120)에 주입될 수 있어, 전지의 저장 특성이 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 장치를 이용한 전지셀 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 전지셀을 제조하기 위해 전해액에 진동을 가하는 단계(S1) 및 전해액을 주입하는 단계(S2)를 수행할 수 있다.
전해액에 진동을 가하는 단계(S1)에서, 전해액 주입 장치의 진동부는 전지 케이스 내부로 전해액을 주입하기 전에, 전해액에 진동을 가할 수 있다. 진동부는 진동자를 포함할 수 있고, 진동자는 전해액에 진동을 가할 수 있다. 바람직하게, 진동자는 초음파 진동자일 수 있다.
진동부에 포함된 진동자로부터 진동이 가해진 전해액은, 입자 상태가 변환될 수 있다. 진동자로부터 전해액에 진동이 가해지면, 전해액을 구성하는 입자는, 진동이 가해지지 않은 경우보다 진동이 가해진 경우에 더 작아질 수 있다. 바람직하게, 전해액은 액체 상태에서 미세입자 상태로 변환될 수 있다. 진동자로부터 진동이 가해진 미세입자 상태의 전해액은, 진동이 가해지지 않은 액체 상태의 전해액에 비해 밀도가 더 작을 수 있다.
전해액을 주입하는 단계(S2)에서, 전해액 주입 장치의 주입부는 전해액 수용부에서 저장된 전해액을 전달받아 전지 케이스 내부로 주입할 수 있다. 주입부는 미세입자 상태의 전해액을 전지 케이스 내부로 주입할 수 있다. 이 경우, 액체 상태의 전해액을 전지 케이스 내부로 주입하는 경우에 비해, 주입부와 인접한 영역에 위치하는 전극 조립체에 대해 전해액이 가하는 스트레스가 감소할 수 있어, 전지셀의 수명이 증가될 수 있다. 또한, 액체 상태보다 입자가 작은 미세입자 상태로 전해액이 주입되므로, 보다 많은 양이 전지 케이스에 주입될 수 있어, 전지의 저장 특성이 향상될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 파우치 전지셀
120: 전지 케이스
123: 수납부
125: 폴딩부
127: 개구부
150: 전극 리드
200: 전해액 주입 장치
210: 진동부
220: 전해액 수용부
230: 주입부

Claims (12)

  1. 전해액에 진동을 가하는 진동부;
    상기 전해액을 수용하는 전해액 수용부; 및
    전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스를 포함하는 이차 전지의 개구부에 상기 전해액을 주입하는 주입부를 포함하는 전해액 주입 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동부는, 진동자를 포함하는 전해액 주입 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진동부는, 초음파 진동자를 포함하는 전해액 주입 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진동부는, 상기 진동자를 이용하여 상기 전해액을 미세입자 상태로 만드는 전해액 주입 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미세입자 상태인 상기 전해액은, 상기 액체 상태의 전해액과 대비하여 밀도가 작은 전해액 주입 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 파우치 케이스인 전해액 주입 장치.
  7. 전해액에 진동을 가해주는 진동부, 상기 전해액을 수용하는 전해액 수용부, 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스를 포함하는 이차 전지의 개구부에 상기 전해액을 주액하는 주입부를 포함하는 전해액 주입 장치를 이용하는 이차 전지의 전지셀 제조 방법에 있어서,
    상기 개구부에 상기 전해액을 주입하기 전에 상기 전해액에 진동을 가하는 단계; 및
    상기 전해액을 상기 개구부에 주입하는 단계를 포함하는 이차 전지의 전지셀 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전해액에 진동을 가하는 단계는, 진동자를 이용하여 상기 전해액에 진동을 가하는 것을 포함하는 이차 전지의 전지셀 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전해액에 진동을 가하는 단계는, 초음파 진동자를 이용하여 상기 전해액에 진동을 가하는 것을 포함하는 이차 전지의 전지셀 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전해액에 진동을 가하는 단계에서, 상기 전해액은 액체 상태에서 미세입자 상태로 변환되는 이차 전지의 전지셀 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 미세입자 상태인 상기 전해액은, 상기 액체 상태의 전해액과 대비하여 밀도가 작은 이차 전지의 전지셀 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 케이스는 파우치 케이스인 이차 전지의 전지셀 제조 방법.

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