KR20230032886A - 파우치형 셀 및 이의 실링부 성형 방법 - Google Patents

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KR20230032886A
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안창범
문종민
황진하
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

적외선 히팅을 이용한 성형을 통해 테이프의 사용 없이도 파우치 셀의 실링부를 온전히 고정시킴으로써 파우치 셀의 전폭이 상단에서부터 하단까지 균일하게 유지되는 파우치형 셀 및 이의 실링부 성형 방법이 개시된다. 상기 파우치형 셀은, 전극 조립체 수납부; 및 상기 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부;를 포함하며, 상기 실링부는 선단이 접혀서 포개진 부분을 포함하고, 상기 실링부의 포개진 부분은 외력의 도움 없이 상기 포개진 부분을 제외한 실링부 부분과 80도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

파우치형 셀 및 이의 실링부 성형 방법{Pouch-type cell and method for forming the sealing part of the pouch-type cell}
본 발명은 파우치형 셀 및 이의 실링부 성형 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 적외선 히팅을 이용한 성형을 통해 테이프의 사용 없이도 파우치 셀의 실링부를 온전히 고정시킴으로써 파우치 셀의 전폭이 상단에서부터 하단까지 균일하게 유지되는 파우치형 셀 및 이의 실링부 성형 방법에 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 열 프레스(Heat Press)로 열 압착하고(필요 시, 실링부를 적정 길이로 절단한 이후에 열 압착함), 2) 별도의 상승 블록과 지지대를 이용하여 열 압착된 실링부의 선단을 90도(°) 절곡 성형시키고, 3) 별도의 블록을 이용하여 90도 절곡된 실링부의 선단을 전극 조립체 수납부의 방향으로 다시 90도 절곡 성형시켜 실링부를 포개고(선행 90도 절곡 성형을 포함하여 총 180도 절곡 성형), 4) 포개진 실링부를 열 프레스로 열 압착하고, 5) 포개진 실링부와 전극 조립체 수납부 사이의 상하단 각각에 지지대를 수직방향으로 위치시킨 후, 상기 전극 조립체 수납부를 기준으로 하부 지지대의 외부면과 대면되도록 별도의 블록을 위치시키고, 이 블록을 상부 지지대 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부의 선단을 90도 절곡 성형시키고(선행 180도 절곡 성형을 포함하여 총 270도 절곡 성형), 6) 90도 절곡 성형된 포개진 실링부의 선단을 별도의 블록으로 측면 압착(Side Press)시키고, 마지막으로 7) 90도 절곡 성형된 포개진 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, 적외선 히팅을 이용한 성형을 통해 테이프의 사용 없이도 파우치 셀의 실링부를 온전히 고정시킴으로써 파우치 셀의 전폭이 상단에서부터 하단까지 균일하게 유지되는 파우치형 셀 및 이의 실링부 성형 방법을 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 접혀서 포개진 부분을 포함하고, 상기 실링부의 포개진 부분은 외력의 도움 없이 상기 포개진 부분을 제외한 실링부 부분과 80도 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 접어서 포개는 단계; (b) 상기 포개진 실링부를 열 압착하는 단계; (c) 상기 포개진 실링부와 전극 조립체 수납부 사이의 실링부 상하단 면과 수직 방향으로 상부 지지대와 하부 지지대를 대향되도록 위치시키는 단계; 및 (d) 상기 전극 조립체 수납부를 기준으로 상기 하부 지지대의 외부면과 대면되도록 블록을 위치시키고, 상기 블록을 상부 지지대 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부의 선단을 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형시키는 단계;를 포함하며, 상기 (a), (b) 및 (d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행 중이거나 수행된 이후에, 상기 포개진 부분 또는 절곡된 부분을 적외선으로 가열시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 셀의 실링부 성형 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 파우치형 셀 및 이의 실링부 성형 방법은, 적외선 히팅을 이용한 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, 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 실시예에 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 접혀서 포개진 부분(144)을 포함하고, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)은 외력의 도움 없이 상기 포개진 부분(144)을 제외한 실링부 부분(146)과 80도 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 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, DSF(Double sided folding) 공정, 즉, 셀 제작 마무리 공정으로서 실링부를 2회 접어서 전폭을 줄이고 고정시키는 공정 중 2회차 폴딩(folding)을 '적외선 히팅을 이용한 열간성형법'을 통해 수행함으로써, 파우치형 전지셀의 전폭이 상단에서 하단까지 균일하게 유지 및 고정시키는 기술을 발명해 내었다.
즉, 본 발명은, 적외선 히팅을 이용한 열간성형법을 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)을 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 수지층(또는, 접착층)은 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 접혀서 포개진 부분(144)을 포함한다. 이는, DSF(Double sided folding) 공정 중 1회차 폴딩(folding)을 통해 얻어진 형태로서, 최대한 고정력을 강화시키기 위한 구조적 특징이다. 또한, DSF 공정 중 2회차 폴딩을 통해서는, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)과 나머지 실링부(140)의 포개지지 않은 부분(146)이 외력의 도움 없이 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, 즉 상기 포개진 부분을 제외한 실링부 부분)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) 및 상기 전극 조립체 수납부(120)의 양 측단에 각각 위치한 실링부(140)를 포함하는 길이방향 전폭이 상단(또는, 일단부)에서 하단(또는, 타단부)까지 균일하다. 이때, 상기 전극 조립체 수납부(120)와 실링부(140)를 포함한 전폭에 있어 최장폭 대비 최단폭의 비율이 95 내지 100, 바람직하게는 97 내지 100, 더욱 바람직하게는 99 내지 100일 수 있다.
또한, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)과 나머지 실링부(140)의 포개지지 않은 부분(146)의 사이각(내각)은 80도 내지 90도의 범위 내에 있지만, 제조 시에 90도로 정확히 절곡시키는 경우에는 85도 내지 90도, 더욱 바람직하게는 87도 내지 90도의 범위 내에 있을 수 있다.
그리고, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)은 상온에서의 꺾임 포스(bending force)가 200 내지 250 g/1cm로서, 상기 실링부(140)의 포개진 부분(144)을 적외선 히팅 방식이 아닌 일반적인 열원을 이용한 가열 방식으로 절곡 성형시킨 경우(약 80 내지 100 g/1cm)에 비하여 약 2 내지 2.5배로 꺾임 포스가 개선되는 장점도 있다. 이는, 전극 조립체 수납부(120) 및 실링부(140)를 구성하는 수지층의 소재(PP, PET)와 연관된 것으로서, 적외선 히팅 방식에 의하면 일반 가열 방식에 의하는 경우에 비하여 수지층의 경화도가 증가하는 것에 기인한다.
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 접어서 포개는 단계, (b) 상기 포개진 실링부(140)를 열 압착하는 단계, (c) 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 (d) 상기 전극 조립체 수납부(120)를 기준으로 상기 하부 지지대(170)의 외부면과 대면되도록 블록(180)을 위치시키고, 상기 블록(180)을 상부 지지대(160) 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 전극 조립체 수납부(120) 측으로 절곡 성형시키는 단계를 포함하며, 상기 (a), (b) 및 (d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행 중이거나 수행된 이후에, 상기 포개진 부분 또는 절곡된 부분을 적외선으로 가열시키는 것을 특징으로 한다.
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 접어서 포개는 단계이다(즉, 제1 폴딩). 이는, (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 접히지 않은 나머지 실링부(140)의 어느 일단에 위치하도록 포갤 수 있다. 다만, 제2 폴딩을 고려하여 상기 실링부(140)의 선단(142)을 접히지 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 절곡되지 않은 상태의 실링부를 열 프레스(Heat Press)로 열 압착하고, 별도의 상승 블록과 지지대를 이용하여 열 압착된 실링부의 선단을 약 90도 절곡 성형시키는 공정 중 어느 하나 이상의 공정이 추가로 수행될 수 있다. 특히, 상기 (a) 단계를 수행하기 이전에, 접히지 않은 상태의 실링부 선단을 약 90도 절곡 성형시키는 공정이 수행되는 경우에는, 상기 (a) 단계에서 약 90도만 전극 조립체 수납부(120)의 방향으로 접어서 실링부(140)를 포갤 수 있다.
다음으로, 상기 (b) 단계는 상기 포개진 실링부(140)를 열 압착하는 단계로서(도 6에는 도시되지 않음), 제2 폴딩을 고려하여 실링부(140) 전체를 열 압착하는 것이 바람직하다. 이때, 포개진 실링부(140)를 열 압착하는 수단에는 제한이 없고, 예를 들어, 포개진 실링부(140)의 상부와 하부에 각각 열원이 내장되었거나 자체가 가열된 열-블록을 구비시켜, 포개진 실링부(140)의 상하부에서 동시에 열 압착시킬 수 있다. 다만, 열 전달 효율을 높이기 위하여 열원이 내장된 열-블록을 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 상기 (b) 단계의 열 압착을 통해 포개진 실링부(140)에 가해지는 온도는 160 내지 220 ℃, 바람직하게는 180 내지 200 ℃일 수 있다. 만약, 상기 열 압착을 통해 포개진 실링부(140)에 가해지는 온도가 160 ℃ 미만이면 후속 폴딩이 원활하지 않을 수 있고, 220 ℃를 초과하는 경우에는 실링부 최외곽에 위치한 PET 층이나 나일론 층이 박리되고 실링층 경화로 인해 절연저항 특성이 악화될 우려가 있다. 또한, 상기 열 압착 시간은 0.1 내지 2 초, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 초, 더욱 바람직하게는 약 0.6 초일 수 있고, 이에 의할 경우, Tack balance 측면에서 유리하고 IR 히팅의 부작용인 과도한 열로 인한 박리 및 경화 현상을 방지할 수 있다.
계속해서, 상기 (c) 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 (d) 단계에서 블록(180)이 안정적으로 상승 및 하강하고, 특히, 블록(180)이 상승했을 때 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 최대한의 힘으로 압착시킬 수 있도록 하기 위함이다.
아울러, 도 6에 도시된 바와 같이, 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), 일정 각도를 가질 수도 있다(즉, 상기 상부 지지대(160)가 하단부로부터 상방향으로 가면서 전극 조립체 수납부(120) 방향으로 경사진 경사부를 가질 수 있다). 이 경우, 상기 상부 지지대(160)의 내각(즉, 전극 조립체 수납부(120) 기준 외측 방향)은 90도 내지 150도일 수 있다.
한편, 상기 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)는 내열성(thermal resistance) 및 강도(strength)가 우수한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. (d) 단계에서 블록(180)이 상부 지지대(160)와 하부 지지대(170)에 접촉할 뿐만 아니라, 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 내열 스테인리스, 내열 세라믹 또는 내열 폴리머로 이루어질 수 있다.
상기 (d) 단계는 전극 조립체 수납부(120)를 기준으로 상기 하부 지지대(170)의 외부면과 대면되도록 블록(180)을 위치시키고, 상기 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 블록(180)은 내부에 열원을 포함한 것이거나, 외부의 열원을 통해 가열된 것이거나, 발열되지 않는 상태의 것일 수 있다.
상기 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, 실링부 내의 실링층에 크랙을 유발하여 절연저항 및 절연전압에 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 블록(180)을 이용한 압착 시간은 1 내지 10초, 바람직하게는 1 내지 8초일 수 있다. 만약, 상기 블록(180)을 이용한 압착 시간이 1초 미만이면, 실링부 고정을 위한 최소 공정시간을 확보하기가 어려워 목적으로 하는 형상을 유지시키기 어려운 문제가 발생할 수 있고, 상기 블록(180)을 이용한 열 압착 시간이 10초를 초과하는 경우에는, 공정 Tack 확보가 어렵고 과도한 열 압착 시간으로 인하여 절연저항 및 두께 확보가 어려운 문제가 발생할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 (a), (b) 및 (d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행 중이거나 수행된 이후에는 상기 포개진 부분 또는 절곡된 부분을 적외선으로 가열시키는 공정이 수행된다. 이는, 특히 상기 (d) 단계에서 수행되는 실링부 성형(즉, 제2 폴딩) 시 실링부(140)의 유연성(flexibility)을 증가시켜 고정력을 향상시키기 위한 공정이다. 일반적인 실링부 가열 방식의 경우, 파우치 또는 실링부의 표면인 PET/나일론 층과 접착층에만 열이 집중되어 PP 층의 균일한 히팅 및 실링이 불완전하지만, 본 발명과 같이 적외선 가열에 의하게 되면 단 시간에 PP 층을 히팅하고 이후에 가압이 가능하다는 장점이 있다.
상기 적외선 가열은 근적외선(N-IR) 가열, 중적외선(M-IR) 가열 또는 원적외선(F-IR) 가열일 수 있고, 이 중, 단 시간에 파우치의 PP 층을 히팅하고 파우치 표면의 내부까지 균일하게 히팅이 가능하다는 점에서 중적외선 가열에 의하는 것이 바람직할 수 있다.
예를 들어, 상기 적외선을 통한 실링부 가열은, 상기 (a) 단계가 진행 중이거나 진행된 직후, 상기 포개진 실링부(140)를 열 압착하는 중이거나 열 압착한 직후(즉, (b) 단계와 (c) 단계의 사이), 상기 블록(180)을 위치시킨 시점부터 상부 지지대(160) 방향으로 상승시켜 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 전극 조립체 수납부(120) 측으로 절곡 성형시키는 시점 등에 다양하게 이루어질 수 있다. 다만, 상기 적외선 가열(200)은, 도 6에 도시된 바와 같이 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 전극 조립체 수납부(120) 측으로 절곡 성형시키기 이전부터 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 다시 말해, 상기 적외선 가열(200)은 상기 블록(180)을 상부 지지대(160) 방향으로 상승시키기 이전부터 수행하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 적외선 가열(200)은 매우 짧은 시간 동안 수행하는 것만으로도 절곡된 실링부의 고정력을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 적외선 가열(200) 시간은 1 내지 2초일 수 있고, 최대한 1초에 가깝게 가열하는 것이 더 바람직할 수 있다. 만약, 상기 적외선 가열 시간을 1초 미만으로 하면, 적외선 가열에 따른 실링부의 유연성이 부족하여 (d) 단계의 절곡 성형이 불완전할 수 있다. 또한, 상기 적외선 가열 시간이 2초를 초과하는 경우에는, 과도한 열원으로 인하여 실링부 표면에 박리를 유발할 수 있다.
이와 같은 적외선 가열(200) 시의 온도는, 실링부의 PP 층이 140 내지 170 ℃, 바람직하게는 150 내지 160 ℃가 되도록 이에 맞추어 설정할 수 있다(이때, 실링부 표면의 온도는 160 내지 220 ℃가 될 수 있다). 만약 적외선 가열을 수행함에도 실링부의 PP 층 온도가 140 ℃ 미만으로 형성되면 목적으로 하는 폴딩이 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 적외선 가열을 수행함에도 실링부의 PP 층 온도가 170 ℃를 초과하는 온도로 형성되면, 흐름성이 증가하여 균일한 실링 두께와 절연특성 확보가 용이하지 않을 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 셀의 실링부를 성형시키는 모습을 순차적으로 보여주는 공정 흐름도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 셀의 실링부 성형 방법은, 블록(180)을 상부 지지대(160) 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부(140)의 선단(144)을 전극 조립체 수납부(120) 측으로 절곡 성형시키는 (d) 단계 이후에, 필요에 따라, 상기 절곡부의 전극 조립체 수납부 기준 외측면에 쿨링 블록(Cooling Block, 220)을 적용하여 외측면을 가압 및 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 쿨링 블록(220)은 적외선 가열을 통해 절곡 성형되는 실링부의 고정력을 더욱 향상시킬 수 있는 수단으로서, 내부에 냉각원을 포함한 것이거나 외부의 냉각원을 통해 냉각된 것일 수 있다. 상기 쿨링 블록(220)의 온도는 10 ℃ 이하일 수 있다. 만약, 상기 쿨링 블록(220)의 온도가 10 ℃를 초과하는 경우에는 쿨링의 성능을 기대하기 어렵기 때문에 쿨링 블록(220)을 사용함에 따른 이점이 없을 수 있다.
또한, 상기 쿨링 블록(220)을 통해 포개진 실링부에 가해지는 압력은 0.2 내지 0.7 MPa, 바람직하게는 0.2 내지 0.5 MPa일 수 있다. 또한, 상기 쿨링 블록(220)을 이용한 압착 시간은 1 내지 10초, 바람직하게는 1 내지 8초일 수 있다. 만약, 상기 쿨링 블록(220)을 이용한 압착 시간이 1초 미만이면, 쿨링 블록(220)을 사용하는 데에 따른 이점이 없을 수 있고, 10초를 초과하는 경우에는, 절연저항 특성의 저하를 유발할 수 있다.
한편, 이상에서의 설명과 도면을 통해서는 파우치 셀의 일측에 위치한 실링부(즉, 메인 실링부)에 대해서만 설명하였으나, 나머지 측에 위치한 실링부 또한 동일한 공정을 통해 동일한 형태로 성형될 수 있음을 밝힌다. 아울러, 이상에서는 특정 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 파우치형 셀 및 이의 실링부 성형 방법을 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, 잔여 실링부를 열 프레스로 열 압착하고, 별도의 상승 블록과 지지대를 이용하여 열 압착된 실링부의 선단을 90도 절곡 성형시켰다. 계속해서, 90도 절곡 성형된 실링부의 선단을 상기 전극 조립체 수납부의 방향으로 절곡 성형시켜 실링부를 포갠 후, 포개진 실링부를 열 압착하였다. 이어서, 포개진 실링부와 전극 조립체 수납부 사이의 상하단 각각에 상부 지지대와 하부 지지대를 위치시켰다. 이어서, 상기 전극 조립체 수납부를 기준으로 하부 지지대의 외부면과 대면되도록 블록을 위치시킨 후, 중적외선(M-IR, 필립스사)을 1초간 180 ℃의 온도로 실링부에 방사하여 가열시켰다. 마지막으로, 상기 블록을 상부 지지대 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부의 선단을 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형시켰으며, 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형된 포개진 실링부가 셀 측단면 기준 수직으로 고정되었다.
[실시예 2] 전폭이 균일한 파우치형 셀의 제조
셀 측단면 기준 수직으로 절곡 성형되어 고정된 포개진 실링부의 전극 조립체 수납부 기준 외측 방향에 7 ℃로 냉각된 쿨링 블록을 대면시킨 후 전극 조립체 수납부의 방향으로 3초간 가압한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 파우치형 셀의 실링부를 성형하였다.
[비교예 1] 파우치형 셀의 제조
실링부에 중적외선을 방사하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 파우치형 셀의 실링부를 성형하였다.
[비교예 2] 파우치형 셀의 제조
실링부에 중적외선을 방사하는 대신, 180 ℃의 온도의 일반적인 열원을 구비한 가열체로 1.5초간 실링부에 열을 제공한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 파우치형 셀의 실링부를 성형하였다.
[시험예 1] 전폭 공정능력(산포) 평가
상기 실시예 1, 2 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, 적외선을 방사하여 실링부를 수직 절곡 성형시킨 실시예 1의 파우치형 셀은 전폭 표준편차가 약 0.40 mm이었고, 쿨링 블록으로 추가 가압한 실시예 2의 파우치형 셀은 전폭 표준편차가 약 0.38 mm에 불과하였다. 반면, 적외선 및 쿨링 블록 모두를 이용하지 않은 비교예 1의 파우치형 셀은 전폭 표준편차가 약 0.83 mm로, 실시예 1 및 2에 비해 2배 이상의 표준편차가 발생하였다. 따라서, 상기 실시예 1 및 2의 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.
[시험예 2] 실링부의 꺾임 포스 평가
상기 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 파우치형 셀 각각에 대해, 실링부 중 포개진 부분의 꺾임 포스를 측정하였다. 측정에는 UTM(모델명: HD-B609B-S)이 사용되었으며, 상온에서 실링부 중 포개진 부분에 동일한 외력을 인가하여 꺾이는 정도를 관찰하였다.
상기와 같이 파우치형 셀 각각의 실링부 중 포개진 부분에 대해 꺾임 포스를 측정한 결과, 적외선을 방사하여 실링부를 절곡 성형시킨 실시예 1의 파우치형 셀은, 실링부의 포개진 부분이 약 232 g/1cm의 꺾임 포스를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 일반적인 열원을 구비한 가열체로 실링부를 절곡 성형시킨 비교예 2의 파우치형 셀은, 실링부의 포개진 부분이 약 93 g/1cm의 꺾임 포스를 나타내었으며, 약한 힘에도 쉽게 꺾여 수직을 유지하기가 용이하지 않았다.
100: 파우치형 셀
120: 전극 조립체 수납부
140: 실링부
160: 상부 지지대
170: 하부 지지대
180: 블록
200: 적외선 가열
220: 쿨링 블록

Claims (14)

  1. 전극 조립체 수납부; 및
    상기 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부;를 포함하며,
    상기 실링부는 선단이 접혀서 포개진 부분을 포함하고, 상기 실링부의 포개진 부분은 외력의 도움 없이 상기 포개진 부분을 제외한 실링부 부분과 80도 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 길이방향 전폭이 일단부에서 타단부까지 균일한 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 실링부의 포개진 부분은 상기 포개진 부분을 제외한 실링부 부분과 외력의 도움 없이 85도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 실링부의 포개진 부분은 상온에서의 꺾임 포스(bending force)가 200 내지 250 g/1cm인 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체 수납부 및 실링부는 수지층 및 금속층을 포함하는 연질의 시트로 구성되는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 수지층은 폴리프로필렌을 포함하고, 상기 금속층은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀.
  7. (a) 전극 조립체 수납부의 양 측단에 각각 위치하여 외부방향으로 돌출된 실링부의 선단을 상기 전극 조립체 수납부의 방향으로 접어서 포개는 단계;
    (b) 상기 포개진 실링부를 열 압착하는 단계;
    (c) 상기 포개진 실링부와 전극 조립체 수납부 사이의 실링부 상하단 면과 수직 방향으로 상부 지지대와 하부 지지대를 대향되도록 위치시키는 단계; 및
    (d) 상기 전극 조립체 수납부를 기준으로 상기 하부 지지대의 외부면과 대면되도록 블록을 위치시키고, 상기 블록을 상부 지지대 방향으로 상승시켜서 상기 포개진 실링부의 선단을 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형시키는 단계;를 포함하며,
    상기 (a), (b) 및 (d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행 중이거나 수행된 이후에, 상기 포개진 부분 또는 절곡된 부분을 적외선으로 가열시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 적외선 가열은 근적외선(N-IR) 가열, 중적외선(M-IR) 가열 및 원적외선(F-IR) 가열로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 적외선 가열은 중적외선 가열인 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 (d) 단계의 적외선 가열은 상기 블록을 상부 지지대 방향으로 상승시키기 이전부터 수행하는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 적외선 가열은 1 내지 2초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  12. 청구항 7에 있어서, 상기 (d) 단계의 포개진 실링부 선단이 전극 조립체 수납부 측으로 절곡 성형된 이후에는, 실링부의 포개진 부분이 나머지 실링부의 포개지지 않은 부분과 외력의 도움 없이 80도 내지 90도의 범위에서 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  13. 청구항 7에 있어서, 상기 실링부 성형 방법은, 상기 (d) 단계 이후에 절곡부의 전극 조립체 수납부 기준 외측면에 쿨링 블록(Cooling Block)을 적용하여 외측면을 가압 및 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 쿨링 블록은 10 ℃ 이하의 온도 및 0.2 내지 0.7 MPa의 압력으로 상기 절곡부의 외측면을 1 내지 10초 동안 가압하는 것을 특징으로 하는, 파우치형 셀의 실링부 성형 방법.
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