KR20230025116A - 파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치 - Google Patents

파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치 Download PDF

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KR20230025116A
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박지수
김주형
강태원
박동혁
김용남
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

열-블록(Heat-block) 성형을 통해 테이프의 사용 없이도 파우치 셀의 실링부를 온전히 고정시킴으로써 파우치 셀의 전폭을 상단에서부터 하단까지 균일하게 유지시킬 수 있는 파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치가 개시된다. 상기 파우치형 셀은, 전극 조립체 수납부; 및 상기 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부;를 포함하며, 상기 실링부는 선단이 내측으로 절곡되어 포개진 부분을 포함하고, 상기 실링부의 포개진 부분은 나머지 실링부의 포개지지 않은 부분과 외력의 도움 없이 75도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치{Pouch-type cell, method and apparatus for forming the sealing part of the pouch-type cell}
본 발명은 파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 열-블록(Heat-block) 성형을 통해 테이프의 사용 없이도 파우치 셀의 실링부를 온전히 고정시킴으로써 파우치 셀의 전폭이 상단에서부터 하단까지 균일하게 유지되는 파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치에 관한 것이다.
모바일 기기 및 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 폭발적으로 증가함에 따라, 높은 에너지 밀도와 방전 전압 및 우수한 출력 안정성을 가지는 이차전지에 대해 보다 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지로는 리튬-황 전지, 리튬이온 전지 및 리튬이온 폴리머 전지 등의 리튬 이차전지 등을 예시할 수 있다. 아울러, 상기와 같은 이차전지는 그 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있으며, 그 중 파우치형 전지셀에 대한 관심 및 수요가 점진적으로 높아지고 있다. 파우치형 전지셀은 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 또한 저렴하고 변형이 용이하다. 따라서, 파우치형 전지셀은 다양한 모바일 기기 및 자동차에 적용 가능한 형태 및 크기로 제작될 수 있다.
통상적인 파우치형 전지셀은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체가 적층되어 연질의 전지 케이스에 수용되고(즉, 스택형 전극 조립체 또는 스택/폴딩형 전극 조립체가 전지 케이스에 수용), 전지 케이스의 끝단이 열융착 등으로 밀봉되는 실링부를 갖는 봉지 구조로 이루어진다. 전지 케이스를 구성하는 연질의 포장재 시트는 수지층(resin layer) 및 금속층(metal layer) 중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 그 끝단에 실링부를 형성함으로써 전극 조립체가 외부로 이탈하는 것을 방지할 뿐만 아니라 외부의 충격으로부터 보호하는 역할도 한다. 상기 전지 케이스의 실링부는 전지셀의 측면에 돌출된 형상으로 형성된다.
도 1은 통상적인 파우치형 전지셀의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 통상의 파우치형 전지셀(10)은 전극 조립체(30), 전극 조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭(40, 50), 전극 탭(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70) 및 전극 조립체(30)를 수용하는 전지 케이스(20)를 포함한다. 전극 조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 것으로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭(40, 50)은 전극 조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭(40, 50)과 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지 케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지 케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착될 수 있다. 전지 케이스(20)는 수지(resin), 금속 또는 이들의 혼합물을 포함한 라미네이트 시트로 이루어지는 것이 일반적이고, 전극 조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극 조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다수의 음극 탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지 케이스(20)의 내부 상단은 전극 조립체(30)로부터 이격될 수 있다.
이러한 파우치형 전지셀은, 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하고 전해액을 주입한 이후에 열융착 등으로 밀봉하는 단계를 거치게 되며, 최종적으로 전지셀의 양 외주면 또는 열융착 부위(실링부)를 수직으로 절곡시키는 과정을 거치게 된다. 도 2는 통상적인 파우치형 전지셀의 실링부를 수직으로 절곡 및 고정시키는 모식도이다. 기존에는, 파우치형 전지셀의 실링부를 수직으로 절곡 및 고정시키기 위하여 도 2와 같은 공정을 수행하였다.
구체적으로, 기존에는 1) 실링부를 적정 길이로 절단하고(Cutting), 2) 별도의 상승 블록과 지지대를 이용하여 열 압착된 실링부의 선단을 'ㄴ' 자 형태로 절곡 성형시켜 1차로 접고, 3) 별도의 블록을 이용하여 1차로 접힌 실링부의 선단을 전극 조립체 수납부의 방향으로 'ㅡ' 자 형태로 절곡 성형시켜 실링부를 포개고, 4) 포개진 실링부와 전극 조립체 수납부 사이의 상하단 각각에 지지대를 수직방향으로 위치시킨 후 상기 전극 조립체 수납부를 기준으로 하부 지지대의 외부면과 대면되도록 롤러(Roller)를 위치시키고, 상기 롤러를 상부 지지대 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부의 선단을 다시 'ㄴ' 자 형태로 절곡 성형시켜 2차로 접고, 마지막으로 5) 2차로 접힌 실링부의 선단을 테이프(Tape)로 고정시키는 공정을 거쳐, 전지셀의 실링부가 최대한 전극 조립체 수납부에 인접하도록 하였다.
도 3은 통상의 파우치형 전지셀에서 실링부를 테이프로 고정시킨 모식도이다. 하지만, 도 3에 도시된 바와 같이 실링부를 테이프로 고정시키게 되면, 도 3에 도시된 바 그리고 하기 표 1과 같이, 테이프 부착 부위(도 3의 1, 3, 5)와 테이프 미 부착 부위(도 3의 2, 4) 간에 전폭 차이가 필연적으로 발생하게 된다.
위치별 전폭
셀 1번 위치 0.5 mm
셀 2번 위치 1.5 mm
셀 3번 위치 0.6 mm
셀 4번 위치 1.9 mm
셀 5번 위치 1.0 mm
이와 같이 전폭 차이가 발생(상기의 경우, 셀 전폭에서 최대 1.4 mm의 차이가 발생)하여 전폭 공정관리가 되지 않으면, 모듈 조립 시 전폭의 오차가 커서 셀이 모듈에 들어가지 않게 되고, 결국 일부 셀을 수작업으로 수행하여야 하기 때문에 공정 손실(Loss)이 발생할 수밖에 없다. 따라서, 파우치형 셀에서 실링부를 절곡하는 경우의 문제점(즉, 파우치 셀의 전폭 차이에서 오는 공정 손실)을 근본적으로 해결할 수 있는 기술이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 열-블록(Heat-block) 성형을 통해 테이프의 사용 없이도 파우치 셀의 실링부를 온전히 고정시킴으로써 파우치 셀의 전폭이 상단에서부터 하단까지 균일하게 유지되는 파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 전극 조립체 수납부; 및 상기 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부;를 포함하며, 상기 실링부는 선단이 내측으로 절곡되어 포개진 부분을 포함하고, 상기 실링부의 포개진 부분은 나머지 실링부의 포개지지 않은 부분과 외력의 도움 없이 75도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 파우치형 셀을 제공한다.
또한, 본 발명은, (a) 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부의 선단을 상기 전극 조립체 수납부의 방향으로 절곡 성형시켜 실링부를 포개는 단계; (b) 상기 포개진 실링부와 전극 조립체 수납부 사이의 실링부 상하단 면과 수직 방향으로 상부 지지대와 하부 지지대를 대향되도록 위치시키는 단계; 및 (c) 상기 전극 조립체 수납부를 기준으로 하부 지지대의 외부면과 대면되도록 열-블록을 위치시키고, 상기 열-블록을 상부 지지대 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부의 선단을 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형시키는 단계;를 포함하는 파우치형 셀의 실링부 성형 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 전극 조립체 수납부와 실링부를 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조 공정에서 상기 실링부를 절곡 성형시키는 장치로서, 상기 실링부가 삽입될 수 있는 이격 거리를 두고 서로 대향되게 위치하는 상부 지지대;와 하부 지지대; 및 상기 실링부가 삽입되는 반대쪽의 하부 지지대 면과 대면되게 위치하며, 상기 실링부가 삽입된 후 상부 지지대 측으로 상승 이동하며 삽입된 실링부를 절곡 성형시키는 열-블록;을 포함하는 파우치형 셀의 실링부 성형 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치는, 열-블록(Heat-block) 성형을 통해 테이프의 사용 없이도 파우치 셀의 실링부를 온전히 고정시킴으로써 파우치 셀의 전폭을 상단에서부터 하단까지 균일하게 유지시켜 특정 치수 범위로 용이하게 관리할 수 있다. 이에 따라, 테이프를 이용하여 실링부를 불완전하게 고정시키던 기존의 공정과 달리 모듈 조립 시 발생하는 수작업 생산 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 기존과 달리 테이프를 사용하지 않으므로 제조 원가를 줄일 수 있고, 또한 기존의 롤러를 상승시켜 실링부를 절곡시키는 경우에 비해 전폭 공정능력(즉, 산포)이 우수하다는 장점도 있다.
도 1은 통상적인 파우치형 전지셀의 분해 사시도이다.
도 2는 통상적인 파우치형 전지셀의 실링부를 수직으로 절곡 및 고정시키는 모식도이다.
도 3은 통상의 파우치형 전지셀에서 실링부를 테이프로 고정시킨 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 파우치형 셀의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 파우치형 셀의 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 셀의 실링부를 성형시키는 모습을 순차적으로 보여주는 공정 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예 따른 파우치형 셀의 실링부를 성형시키는 모습을 순차적으로 보여주는 공정 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 파우치형 셀의 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 파우치형 셀의 측단면도이다. 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 셀(100)은, 전극 조립체 수납부(120) 및 상기 전극 조립체 수납부(120)의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부(140)를 포함하며, 상기 실링부(140)는 선단(142)이 내측으로 절곡되어 포개진 부분(144)을 포함하고, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)은 나머지 실링부(140)의 포개지지 않은 부분(146)과 외력의 도움 없이 75도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 한다.
파우치형 전지셀은 규격화된 모듈 내에 구비시키기 위하여, 파우치형 전지셀의 실링부(또는 윙(Wing), 셀의 양 측면에 실링된 파우치 영역)를 수직으로 절곡 및 고정시켜 최대한 전극 조립체 수납부 측에 인접하도록 위치시킬 필요가 있다. 파우치형 전지셀의 전폭을 상단에서 하단까지 균일하게 유지시켜야만 별도의 수작업 없이 모듈 내에 구비시킬 수 있기 때문이다.
이와 관련하여, 기존에는 파우치형 전지셀의 실링부를 수직으로 절곡 및 고정시키기 위하여, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 파우치형 전지셀의 절곡된 실링부를 테이프로 고정시키는 방법에 의하였다. 하지만, 이와 같이 테이프를 이용하는 경우에는, 테이프 부착 부위와 테이프 미 부착 부위 간에 전폭 차이가 발생하게 된다. 이와 같이 전폭 차이가 발생하여 전폭 공정관리가 되지 않으면, 모듈 조립 시 전폭의 오차가 커서 셀이 모듈에 들어가지 않게 되고, 결국 일부 셀을 수작업으로 수행하여야 하기 때문에 공정 손실(Loss)이 발생할 수밖에 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 테이프를 실링부 전체에 부착시키는 방안도 고려해 볼 수 있지만, 이 경우, 테이프를 띄엄띄엄 부착하는 경우에 비하여 테이프 재료비가 증가할 뿐만 아니라, 공정 시간도 길어져 1일 전지 생산량이 감소하는 문제가 필연적으로 발생한다.
이에, 본 출원인은, 실링부의 선단을 두 번 접는 공정, 즉, 셀 제작 마무리 공정으로서 실링부를 2회 접어서 전폭을 줄이고 고정시키는 공정 중 2회차 폴딩(folding)을 '열-블록(Heat block)을 이용한 윙 성형방법'을 통해 수행함으로써, 파우치형 전지셀의 전폭을 상단에서 하단까지 균일하게 유지 및 고정시키는 기술을 발명해 낸 것이다.
즉, 본 발명은, 열-블록을 이용한 윙 성형방법을 통해 파우치 셀의 실링부를 온전히 고정시켜, 파우치 셀의 전폭이 상단에서부터 하단까지 균일하게 유지되는 파우치형 셀에 관한 것으로서, 별도의 후속 수작업 없이도 모듈 내에 단번에 구비시킬 수 있다는 장점을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 전극 조립체 수납부(120)의 끝단은 열융착 등으로 밀봉되는 실링부(140)를 갖는 봉지 구조로 이루어진다. 상기 전극 조립체 수납부(120)를 구성하는 연질의 포장재 시트는 수지층(resin layer) 및 금속층(metal layer) 중 어느 하나 이상을 포함하며, 그 끝단에 실링부(140)를 형성함으로써 전극 조립체가 외부로 이탈하는 것을 방지할 뿐만 아니라 외부의 충격으로부터 전극 조립체를 보호하는 역할도 한다. 따라서, 상기 실링부(140)는 전지셀(또는, 파우치형 셀, 100)의 측면에 돌출된 형상으로 형성되며, 그 재질 또한 전극 조립체 수납부(120)의 재질과 동일하다. 상기 전극 조립체 수납부(120) 및 실링부(140)를 구성하는 수지층은 폴리프로필렌(PP)을 포함한 것일 수 있고, 금속층은 알루미늄을 포함한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 조립체 수납부(120)는 양극, 음극 및 이들의 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 단위 셀을 하나 이상 포함하는 전극 조립체가 수납되는 곳이다. 전극 조립체의 최상부와 최하부는 하프셀(half cell)이 위치할 수 있는 등, 그 구성에는 특별한 제한이 없고, 통상의 전극 조립체 구성을 따를 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체는 스택형일 수도 있고, 스택/폴딩형일 수도 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 양극 탭과 음극 탭이 서로 반대 방향에 위치할 수도 있으나, 도 1과 같이 어느 한 쪽에만 양극 탭 및 음극 탭이 함께 위치할 수 있는 등, 그 위치는 전지의 종류 및 목적 등에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
상기 실링부(140)는 선단(142)이 내측으로 절곡되어 포개진 부분(144)을 포함한다. 이는, 실링부의 선단을 두 번 접는 공정 중 1회차 폴딩(folding)을 통해 얻어진 형태로서, 최대한 고정력을 강화시키기 위한 구조적 특징이다. 또한, 실링부의 선단을 두 번 접는 공정 중 2회차 폴딩을 통해서는, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)과 나머지 실링부(140)의 포개지지 않은 부분(146)이 일정한 각도를 이루게 된다.
본 발명은 특히 이 점에 핵심적 특징을 가지고 있는 것인데, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)과 나머지 실링부(140)의 포개지지 않은 부분(146)이 테이프 고정과 같은 외력의 도움 없이 일정한 각도를 이루며, 파우치 셀 양 측면부의 상단에서부터 하단까지 이어져 있는 실링부(140) 전체가 이러한 형태를 취하고 있다. 다시 말해, 상기 전극 조립체 수납부(120)와 실링부(140)를 포함한 전폭이 상단에서 하단까지 균일하다.
또한, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)과 나머지 실링부(140)의 포개지지 않은 부분(146)의 사이각(내각)은 75도 내지 90도의 범위 내에 있지만, 제조 시에 90도로 정확히 절곡시키는 경우에는 80도 내지 90도, 더욱 바람직하게는 80도 내지 88도의 범위 내에 있을 수 있다.
한편, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)의 길이와 나머지 실링부(140)의 포개지지 않은 부분(146)의 길이에는 특별한 제한이 없으며, 파우치 셀을 내부에 구비하는 모듈의 크기 및 형태 등에 따라 가변적일 수 있음을 밝힌다.
다음으로, 본 발명에 따른 파우치형 셀의 실링부 성형 방법에 대하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 셀의 실링부를 성형시키는 모습을 순차적으로 보여주는 공정 흐름도이다. 도 6을 참조하여 파우치형 셀의 실링부 성형 방법에 대하여 설명하면, 본 발명에 따른 파우치형 셀의 실링부 성형 방법은, (a) 전극 조립체 수납부(120)의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부(140)의 선단(142)을 상기 전극 조립체 수납부(120)의 방향으로 절곡 성형시켜 실링부(140)를 포개는 단계, (b) 상기 포개진 실링부(140)와 전극 조립체 수납부(120) 사이의 실링부 상하단 면과 수직 방향으로 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)를 대향되도록 위치시키는 단계 및 (c) 상기 전극 조립체 수납부(120)를 기준으로 하부 지지대(170)의 외부면과 대면되도록 열-블록(180)을 위치시키고, 상기 열-블록(180)을 상부 지지대(160) 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 전극 조립체 수납부(120) 측으로 절곡 성형시키는 단계를 포함한다.
먼저, 상기 (a) 단계는 전극 조립체 수납부(120)의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부(140) 중 선단(142)을, 상기 전극 조립체 수납부(120)의 방향으로 절곡 성형시켜 실링부(140)를 포개는 단계이다(즉, 제1 폴딩). 이는, 상기 (d) 단계의 제2 폴딩(또는, 제2 절곡 성형)을 위한 선행 공정으로서, 상기 실링부(140)의 선단(142)은 제2 폴딩에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 절곡되지 않은 나머지 실링부(140)의 어느 일단에 위치하도록 포갤 수 있다. 다만, 제2 폴딩을 고려하여 상기 실링부(140)의 선단(142)을 절곡되지 않은 나머지 실링부(140)의 약 절반 정도의 위치에 놓이도록 포개는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 상기 (a) 단계를 수행하기 이전에는, 필요에 따라 도 2의 1 및 2와 같이, 실링부를 적정 길이로 절단하고(Cutting), 별도의 상승 블록과 지지대를 이용하여 열 압착된 실링부의 선단을 약 90도(75도 내지 90도) 절곡 성형시키는 공정 중 어느 하나 이상의 공정이 추가로 수행될 수 있다. 특히, 상기 (a) 단계를 수행하기 이전에 실링부의 선단을 약 90도 절곡 성형시키는 공정이 수행되는 경우에는, 상기 (a) 단계에서 약 90도만 전극 조립체 수납부(120)의 방향으로 절곡 성형시켜 실링부(140)를 포갤 수 있다.
계속해서, 상기 (b) 단계는 상기 포개진 실링부(140)와 전극 조립체 수납부(120) 사이의 실링부 상하단 면과 수직 방향으로, 상단에는 상부 지지대(160)를 위치시키고, 하단에는 하부 지지대(170)를 위치시키는 단계이다. 이는, 후술할 (c) 단계에서 열-블록(180)이 안정적으로 상승 및 하강하고, 특히, 열-블록(180)이 상승했을 때 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 최대한의 힘으로 압착시킬 수 있도록 하기 위함이다.
아울러, 상기 상부 지지대(160)는 하부 지지대(170)와 같이 일직선의 형태를 가지는 것일 수 있다. 다만, 포개진 실링부(140)의 선단(144)이 최대한 전극 조립체 수납부(120) 측으로 휘어지도록(선단의 스프링백 현상을 감안), 도 6과 같이 일정 각도를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 상기 상부 지지대(160)는 어느 일단에서부터 하단까지 전극 조립체 수납부(120) 기준 외측 방향으로 꺾인 형태를 취하는 것이 바람직하며, 이때 상부 지지대(160)의 내각(즉, 전극 조립체 수납부(120) 기준 외측 방향)은 120도 이상 내지 180도 미만, 바람직하게는 140도 이상 내지 180도 미만일 수 있다. 즉, 다시 말해, 상기 상부 지지대(160)가 하단부로부터 상방향으로 가면서 전극 조립체 수납부(120) 방향으로 경사진 경사부를 포함하는 것이 바람직하며, 이때 상기 상부 지지대(160)의 경사부는 절곡되지 않은 실링부에 대한 수직방향을 기준으로 0도 초과 내지 60도 이하의 경사, 바람직하게는 0도 초과 내지 40도 이하의 경사를 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)는 내열성(thermal resistance) 및 강도(strength)가 우수한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 (c) 단계에서 열-블록(180)이 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)에 접촉할 뿐만 아니라, 열-블록(180)이 상승함과 동시에 전극 조립체 수납부(120) 방향 또는 지지대(160, 170) 방향으로 측면 가압(side press)되기 때문이다. 따라서, 상기 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)는 내열성 및 강도가 우수한 스테인리스강, 냉간공구강, 열간공구강 또는 고 탄소 크롬강으로 이루어질 수 있다.
마지막으로, 상기 (c) 단계는 전극 조립체 수납부(120)를 기준으로 하부 지지대(170)의 외부면과 대면되도록 열-블록(180)을 위치시키고, 상기 열-블록(180)을 상부 지지대(160) 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 전극 조립체 수납부(120) 측으로 절곡 성형시키는 단계이다.
상기 열-블록(180)은 내부에 열원을 포함한 것일 수 있다. 이와 관련하여, 본 출원인은 블록의 표면을 가열시켜 해당 열을 포개진 실링부(140)에 전달시키는 방안도 고려하였지만, 블록의 표면을 가열시키는 경우 외부에 열을 빼앗겨 열 전달 효율이 현저히 저하되는 문제를 인지하여 상기와 같이 열-블록(180)의 내부에 열원을 구비하도록 한 것이다.
상기 열-블록(180)의 내부에 포함되는 열원은 매우 다양할 수 있으며, 따라서, 열원의 종류에 특별한 제한은 없다. 다만, 본 출원인은 다각도의 평가를 거쳐 열-블록(180)의 내부에 자체 발열이 가능한 히터봉(Cartridge Heater Pipe)을 삽입할 때의 열 전달 효율이 가장 우수하다는 확인하였고, 따라서, 본 발명의 열-블록(180) 내부에는 가급적 봉 형태의 히터(히터봉)를 삽입하는 것이 바람직할 수 있다.
여기서, 상기 히터봉의 구성 및 발열 원리에 대해 살펴보면, 상기 히터봉의 내부에는, 히터봉의 형태를 형성시키는 동시에 지지봉의 역할을 하는 세라믹 코어, 상기 세라믹 코어를 감싸는 발열 코일(소재: 니크롬 등) 및 상기 발열 코일에 전기를 공급하는 전선이 구비될 수 있으며, 상기 전선을 통해 발열 코일에 전기를 공급함으로써 세라믹 코어에서 열이 발생하게 된다. 상기 히터봉은 열-블록(180)의 내부에 1개 이상 포함될 수 있고, 열-블록(180)의 크기에 따라 상이해질 수 있으나 열 전달 효율을 고려할 때 1개 또는 2개로 포함되는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 히터봉이 내부에 구비되는 열-블록(180)은 스테인리스강, 냉간공구강, 열간공구강 또는 고 탄소 크롬강을 포함하는 재질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 열-블록(180)을 통해 포개진 실링부(140)에 가해지는 온도는 160 내지 200 ℃, 바람직하게는 170 내지 200 ℃일 수 있다. 만약, 상기 포개진 실링부(140)에 가해지는 온도가 160 ℃ 미만이면, 실링부(또는, 파우치)의 내부를 구성하는 폴리프로필렌(PP) 수지가 용융되지 않아 실링부에 크랙(Crack)이 발생할 수 있고, 이때 셀 내부에 있는 전해액이 외부로 누출되는 문제가 발생할 우려가 있다. 또한, 상기 포개진 실링부(140)에 가해지는 온도가 200 ℃를 초과하는 경우에는, 과도한 열에 의해 실링부의 외부를 구성하는 방수 표면이 용융되어 외부의 수분이 셀 내부로 침투하는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 열-블록(180)을 통해 포개진 실링부(140)에 가해지는 압력은 0.2 내지 0.7 MPa, 바람직하게는 0.2 내지 0.5 MPa일 수 있다. 만약, 상기 포개진 실링부(140)에 가해지는 압력이 0.2 MPa 미만이면, 실링부의 선단에 가해지는 힘이 작기 때문에 탄성 회복하여 실링부의 선단이 펴지는 문제(즉, 과도한 스프링백 현상)가 발생할 수 있다. 또한, 상기 포개진 실링부(140)에 가해지는 압력이 0.7 MPa를 초과하는 경우에는, 실링부의 내부에서 용융된 폴리프로필렌 수지가 과도한 압력에 의해 상하부 지지대(160, 170) 및 열-블록(180)을 오염시킬 수 있고, 이로 인해, 실링부의 선단이 설비에 부착되어 불량이 발생할 수 있다.
또한, 상기 열-블록(180)을 이용한 열 압착 시간은 1 내지 10초, 바람직하게는 1 내지 8초일 수 있다. 만약, 상기 열-블록(180)을 이용한 열 압착 시간이 1초 미만이면, 실링부의 내부를 구성하는 폴리프로필렌 수지가 충분히 용융되지 않아 실링부의 선단이 펴지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 열-블록(180)을 이용한 열 압착 시간이 10초를 초과하는 경우에는, 실링부의 외부를 구성하는 방수 표면이 열화하여 외부의 수분이 셀 내부로 침투하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 포개진 실링부(140)의 선단(144)이 최대한 전극 조립체 수납부(120) 측으로 휘어지도록(선단의 스프링백 현상을 감안), 상부 지지대(160)가 어느 일단에서부터 하단까지 전극 조립체 수납부(120) 기준 외측 방향으로 꺾인 형태를 취하여, 도 6과 같이 일정 각도를 가지도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 상승 및 측면 가압 시 상부 지지대(160)와 대면되어야 하는 열-블록(180) 또한, 이 경우에는 상부 지지대(160)의 형태에 부합할 수 있는 도 6과 같은 형상을 취할 수 있다.
즉 다시 말해, 상기 상부 지지대(160)가 하단부로부터 상방향으로 가면서 전극 조립체 수납부(120) 방향으로 경사진 경사부를 포함하는 것이 바람직하며, 이때, 상기 열-블록(180)의 전극 조립체 수납부(120) 측 선단면은 상기 상부 지지대(160)의 경사부에 부합하는 경사부를 포함한다. 따라서, 상기 (c) 단계에서 열-블록(180)을 상부 지지대(160) 방향으로 상승시키는 경우, 상기 상부 지지대(160)의 경사부까지 상승시킨 후, 상기 열-블록(180)의 경사부가 상기 상부 지지대(160)의 경사부에 밀착하도록 수평 이동시켜야 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예 따른 파우치형 셀의 실링부를 성형시키는 모습을 순차적으로 보여주는 공정 흐름도이다. 이상에서는 도 6에 도시된 바와 같이 열-블록(180)을 상승시키는 구성에 대해서만 설명하였으나, 도 7에 도시된 바와 같이 열-블록(180)을 상승시키기 이전에 먼저 전극 조립체 수납부(120) 기준 외측 방향으로 이동시키고, 이어서 열-블록(180)을 상승시킨 후 전극 조립체 수납부(120) 측으로 이동시켜 가열 및 가압할 수도 있다. 따라서, 상기 (c) 단계에서 열-블록(180)을 상부 지지대(160) 방향으로 상승시키는 경우는, 상기 열-블록(180)을 상기 포개진 실링부(140)의 말단을 벗어나지 않는 범위에서 외측 방향으로 이동시킨 후 상승시키는 것일 수 있고, 이후에는 상기 열-블록(180)의 경사부가 상기 상부 지지대(160)의 경사부에 밀착하도록 수평 이동시켜야 한다.
즉, 다시 말해, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계에서 열-블록(180)을 상부 지지대(160) 방향으로 상승시키는 공정의 사이에는, 필요에 따라 열-블록(180)을 전극 조립체 수납부(120) 기준 외측 방향으로 이동시키는 단계가 추가로 수행될 수 있고, 열-블록(180)을 상승시킨 후에는 열-블록(180)을 전극 조립체 수납부(120) 측으로 다시 이동시키는 단계까지 추가로 수행하여, 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 전극 조립체 수납부(120) 측으로 절곡 성형시킬 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 파우치형 셀의 실링부 성형 장치에 대하여 설명한다. 도 6을 참조하여 파우치형 셀의 실링부 성형 장치에 대하여 설명하면, 본 발명에 따른 파우치형 셀의 실링부 성형 장치는, 전극 조립체 수납부(120)와 실링부(140)를 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조 공정에서 상기 실링부(140)를 절곡 성형시키는 장치로서, 상기 실링부(140)가 삽입될 수 있는 이격 거리를 두고 서로 대향되게 위치하는 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170) 및 상기 실링부(140)가 삽입되는 반대쪽의 하부 지지대 면과 대면되게 위치하며 상기 실링부(140)가 삽입된 후 상부 지지대(160) 측으로 상승 이동하며 삽입된 실링부(140)를 절곡 성형시키는 열-블록(180)을 포함한다.
본 발명의 일 실시 형태로, 상기 상부 지지대(160)는 실링부(140)가 삽입되는 쪽의 하단부로부터 상방향으로 가면서 상기 전극 조립체 수납부(120) 방향으로 기울어진 경사부를 포함하며, 상기 열-블록(180)의 하부 지지대 측 선단면은 상기 경사부에 부합하는 경사부를 포함한다.
이를 바탕으로 하여 실링부 성형 장치의 작동 방법에 대하여 설명하면, 먼저, 전극 조립체 수납부(120)의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부(140)를 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)의 사이에 삽입한다. 여기서, 상기 실링부(140)는 실링부(140)의 선단(142)을 상기 전극 조립체 수납부(120)의 방향으로 절곡 성형시켜 포개진 실링부일 수 있다.
이어서, 상기 삽입된 실링부(140)의 일단이 고정되도록 상기 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)를 상기 실링부(140)에 밀착시킨다. 이후, 상기 실링부(140)가 삽입되는 반대쪽의 하부 지지대 면과 대면되게 위치한 열-블록(180)을 상기 상부 지지대(160) 측으로 상승 이동시킨다. 이때, 상기 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)의 외측에 놓여있던 실링부(140)의 선단(144)도 열-블록(180)과 함께 상승함으로써, 상기 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)의 외측에 놓여있던 실링부(140)가 절곡 성형된다.
한편, 상기 열-블록(180)을 상부 지지대(160) 측으로 상승 이동시키기 전에는, 상기 열-블록(180)을 실링부(140)의 말단을 벗어나지 않는 범위에서 외측 방향으로 수평 이동시킬 수 있다. 또한, 실링부(140)가 절곡 성형된 이후에는 열-블록(180)을 상부 지지대(160) 측으로 가압할 수 있다. 이상과 같이, 상기 상부 지지대(160)의 경사부에 대면되어 기울어진 상태로 절곡 성형된 실링부(140)는, 스프링백 현상을 통해 절곡되지 않은 실링부와 외력의 도움 없이 75도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루게 된다.
한편, 이상에서의 설명과 도면을 통해서는 파우치 셀의 일측에 위치한 실링부에 대해서만 설명하였으나, 반대측에 위치한 실링부 또한 동일한 공정을 통해 동일한 형태로 성형됨을 밝힌다. 아울러, 이상에서는 특정 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 파우치형 셀, 이의 실링부 성형 방법 및 장치를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형이 가능함을 일러둔다. 추가적으로, 이하에서는 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위하여, 이상에서 실시한 실시예와 본 발명의 범주를 벗어나는 비교예를 대비하도록 한다.
[실시예 1] 전폭이 균일한 파우치형 셀의 제조
먼저, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 단위 셀을 다수 개 적층시킨 전극 조립체가 수납된 파우치형 셀을 준비한 후, 파우치형 셀의 양 측단에 위치한 실링부를 적정 길이로 절단하였다. 이어서, 별도의 상승 블록과 지지대를 이용하여 잔여 실링부의 선단을 90도 절곡 성형시켰다. 계속해서, 90도 절곡 성형된 실링부의 선단을 상기 전극 조립체 수납부의 방향으로 절곡 성형시켜 실링부를 포갠 후, 포개진 실링부와 전극 조립체 수납부 사이의 상하단 각각에 상부 지지대와 하부 지지대를 위치시켰다. 마지막으로, 상기 전극 조립체 수납부를 기준으로 하부 지지대의 외부면과 대면되도록 히터봉이 내장된 열-블록을 위치시킨 후, 상기 열-블록을 상부 지지대 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부의 선단을 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형시켰으며, 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형된 포개진 실링부가 스프링백 현상에 의해 셀 측단면 기준 수직으로 고정되었다.
[비교예 1] 파우치형 셀의 제조
상기 실시예 1의 최종 단계에서 사용한 히터봉이 내장된 열-블록 대신 가열된 실린더(cylinder) 형상의 롤러(roller)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 파우치형 셀의 실링부를 성형하였다.
[시험예 1] 전폭 공정능력(산포) 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 실링부가 성형된 파우치형 셀 각각에 대해, 총 7곳(실링부를 테이프로 부착하는 통상의 파우치형 셀 기준으로, 전폭의 편차가 큰 위치를 포함한 테이핑부, 미 테이핑부 및 셀의 양 끝단 등을 포함한 7곳)의 전폭을 측정하여 전폭 공정능력(즉, 산포)을 평가하였다(총 5 cell 측정). 평가 결과, 히터봉이 내장된 열-블록을 사용한 실시예 1의 파우치형 셀은 전폭 표준편차가 약 0.41 mm에 불과하였던 반면, 히터봉이 내장된 열-블록 대신 실린더 형상의 롤러를 사용한 비교예 1의 파우치형 셀은 전폭 표준편차가 약 0.83 mm로, 실시예 1에 비해 2배 이상의 표준편차가 발생하였다. 따라서, 상기 실시예 1의 파우치형 셀은 비교예 1의 파우치형 셀에 비하여 평균값에 모여 있는 산포를 갖고 있으므로, 전폭 품질이 우수하고, 불량 발생률이 적으며, 관리가 간소해지므로 공정능력 측면에서 우위에 있는 것을 알 수 있다.
이는, 열-블록이 실링부에 면압을 가하는 것인 데에 반하여, 롤러는 실링부에 선압을 가하기 때문에 열 전달 효율에서 차이가 발생하는 것에 기인한다. 즉, 열-블록은 롤러에 비해 면적이 넓기 때문에, 발열량이 동일하더라도 단시간 내에 실링부로 전달할 수 있는 장점을 가진다. 따라서, 열 전달 효율 측면에서도 비교예 1의 파우치형 셀은 실시예 1의 파우치형 셀에 비하여 열위에 있을 수밖에 없는 것이다.
100: 파우치형 셀
120: 전극 조립체 수납부
140: 실링부
160: 상부 지지대
170: 하부 지지대
180: 열-블록

Claims (16)

  1. 전극 조립체 수납부; 및
    상기 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부;를 포함하며,
    상기 실링부는 선단이 내측으로 절곡되어 포개진 부분을 포함하고, 상기 실링부의 포개진 부분은 나머지 실링부의 포개지지 않은 부분과 외력의 도움 없이 75도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 파우치형 셀.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체 수납부 및 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치한 실링부를 포함하는 전폭이 상단에서 하단까지 균일한 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 실링부의 포개진 부분은 나머지 실링부의 포개지지 않은 부분과 외력의 도움 없이 80도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체 수납부 및 실링부는 수지층(resin layer) 및 금속층(metal layer) 중 어느 하나 이상을 포함하는 연질의 시트인 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 수지층은 폴리프로필렌을 포함하고, 상기 금속층은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  6. (a) 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부의 선단을 상기 전극 조립체 수납부의 방향으로 절곡 성형시켜 실링부를 포개는 단계;
    (b) 상기 포개진 실링부와 전극 조립체 수납부 사이의 실링부 상하단 면과 수직 방향으로 상부 지지대와 하부 지지대를 대향되도록 위치시키는 단계; 및
    (c) 상기 전극 조립체 수납부를 기준으로 하부 지지대의 외부면과 대면되도록 열-블록을 위치시키고, 상기 열-블록을 상부 지지대 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부의 선단을 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형시키는 단계;를 포함하는 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 (c) 단계의 열-블록은 내부에 열원을 포함한 것으로, 상기 열원은 자체 발열 가능한 히터봉(Cartridge Heater Pipe)인 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 히터봉은 열-블록의 내부에 1개 이상 포함되고, 상기 히터봉의 내부에는 히터봉의 형태를 형성시키는 동시에 지지봉의 역할을 하는 세라믹 코어; 상기 세라믹 코어를 감싸는 발열 코일; 및 상기 발열 코일에 전기를 공급하는 전선;이 구비되는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 (c) 단계의 열-블록을 통해 포개진 실링부에 가해지는 온도는 160 내지 200 ℃이고, 압력은 0.2 내지 0.7 MPa이며, 상기 열-블록을 이용한 열 압착이 1 내지 10초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 (c) 단계의 포개진 실링부 선단이 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형된 이후에는, 실링부의 포개진 부분이 나머지 실링부의 포개지지 않은 부분과 외력의 도움 없이 75도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  11. 청구항 6에 있어서, 상기 상부 지지대는 하단부로부터 상방향으로 가면서 전극 조립체 수납부 방향으로 경사진 경사부를 포함하며, 상기 열-블록의 전극 조립체 수납부 측 선단면은 상기 경사부에 부합하는 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 (c) 단계에서 열-블록을 상부 지지대 방향으로 상승시키는 경우, 상기 상부 지지대의 경사부까지 상승시킨 후, 상기 열-블록의 경사부가 상기 상부 지지대의 경사부에 밀착하도록 수평 이동시키는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 (c) 단계에서 열-블록을 상부 지지대 방향으로 상승시키는 경우, 상기 열-블록을 상기 포개진 실링부의 말단을 벗어나지 않는 범위에서 외측 방향으로 이동시킨 후 상승시키는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 상부 지지대의 경사부는 절곡되지 않은 실링부에 대한 수직방향을 기준으로 0도 초과 내지 60도 이하의 경사를 갖는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  15. 전극 조립체 수납부와 실링부를 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조 공정에서 상기 실링부를 절곡 성형시키는 장치로서,
    상기 실링부가 삽입될 수 있는 이격 거리를 두고 서로 대향되게 위치하는 상부 지지대;와 하부 지지대; 및
    상기 실링부가 삽입되는 반대쪽의 하부 지지대 면과 대면되게 위치하며, 상기 실링부가 삽입된 후 상부 지지대 측으로 상승 이동하며 삽입된 실링부를 절곡 성형시키는 열-블록;을 포함하는 파우치형 셀의 실링부 성형 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 상부 지지대는 실링부가 삽입되는 쪽의 하단부로부터 상방향으로 가면서 상기 전극 조립체 수납부 방향으로 기울어진 경사부를 포함하며, 상기 열-블록의 하부 지지대 측 선단면은 상기 경사부에 부합하는 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 장치.
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