KR20230071075A - 이차전지의 활성화 방법 - Google Patents

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KR20230071075A
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김성엽
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명은 이차전지의 활성화 방법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 이차 전지의 활성화 공정 중 발생된 가스를 제거하는 방법에 관한 것으로서, 전극조립체 및 전해액이 밀봉되고, 가스 포집용 포켓을 포함하는 이차전지를 예비 충전하여 가스를 발생시키는 예비 활성화 단계, 상기 가스 포집용 포켓에 피어싱(piercing)을 형성하고, 상기 예비 활성화 단계 중에 발생된 가스를 상기 피어싱을 통해 실시간으로 1차 디개싱한 후, 상기 피어싱을 실링하는 1차 디개싱 단계 및 상기 예비 활성화된 이차전지를 에이징 및 2차 디개싱하는 2차 디개싱 단계를 포함한다.

Description

이차전지의 활성화 방법{FORMATION METHOD FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지의 활성화 방법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 이차 전지의 활성화 공정 중 발생된 가스를 제거하는 방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되는 형태로 조립된 후 활성화 공정을 거치어 제조된다. 활성화 공정은 조립된 전지를 충전, 에이징, 및 방전하는 과정을 통해 전지구조를 안정화시키고 사용 가능한 상태가 되도록 한다.
상기 충전, 에이징, 및 방전하는 과정에서는 양극 활물질에서 기인하는 가스와 양극 활물질과 전해액과의 부반응으로 인해 생성된 가스가 다량으로 발생한다. 이와 같이 발생한 가스는 전지케이스를 부풀어 오르게 하거나, 전극들 사이에 잔존하여 전극의 균일하고 원활한 반응을 방해할 수 있다. 이로 인하여, 전지의 수명이 크게 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 화성공정 중에 발생된 가스를 제거할 필요가 있다.
통상적으로, 파우치형 이차전지는 초기 충전의 활성화 공정 중에 발생된 내부 가스를 포집하는 가스 포집용 포켓을 파우치 케이스의 일측에 형성하여 생성된 가스를 모두 포집하였다가 화성 공정이 완료된 후에 내부 가스를 제거하는 디개싱(Degassing)을 수행하고, 밀봉하는 과정을 거친다.
한편, 최근 이차전지의 고용량화 및 고성능화의 추세로 인해, 이차전지의 기종에 따라 초기에 발생하는 가스량이 점차 증가하는 추세에 있으며, 가스량이 너무 방대하게 발생하는 경우, 전지가 부풀어올라 다양한 품질 문제를 일으킬 수 있다. 이로 인해 고성능화가 진행되고 있는 파우치형 이차전지에 있어서는 가스 포집용 포켓을 더욱 크게 제작하는 것이 요구되고 있다.
그러나, 이와 같은 가스 포집용 포켓은 활성화 공정 후에 제거되며, 이러한 가스 포집용 포켓의 형성을 위해 추가적인 파우치의 사용을 요구한다. 통상, 가스 포집용 포켓의 설치를 위해 사용되는 파우치는 이차전지 한 개를 제작하는데 요구되는 파우치량의 약 1/2에 해당하여, 과도한 파우치 소모량 증대를 초래하며, 이로 인해 자재 원가의 증대를 야기한다.
따라서, 이러한 가스 포집용 포켓의 사이즈를 줄임으로써 파우치의 사용량을 감소시킬 수 있다면 원가 절감을 도모할 수 있을 것이다.
본 발명은 파우치형 이차전지에 있어서 가스 포집용 포켓의 사이즈 증대로 인해 요구되는 자재의 원가 증가 문제를 해결하고자 한다.
구체적으로, 예비 충전 공정 중에 발생한 가스를 디개싱 공정 전에 미리 가스 포집용 포켓으로부터 제거하여 가스 포집용 포켓의 비대화를 방지하고자 한다.
본 발명은 이차전지의 활성화 방법에 대한 것으로서, 전극조립체 및 전해액이 내부에 밀봉되고, 가스 포집용 포켓을 포함하는 파우치형 이차전지를 예비 충전하여 가스를 발생시키는 예비 활성화 단계, 상기 가스 포집용 포켓에 피어싱(piercing)을 형성하고, 상기 예비 활성화 단계 중에 발생된 가스를 상기 피어싱을 통해 실시간으로 1차 디개싱한 후, 상기 피어싱을 실링하는 1차 디개싱 단계 및 상기 예비 활성화된 이차전지를 에이징 및 2차 디개싱하는 2차 디개싱 단계를 포함하는 이차전지의 활성화 방법을 제공한다.
상기 예비 활성화 단계는 SOC(state of charge) 100% 이하로 수행할 수 있다.
상기 예비 활성화 단계는 가압부재를 사용하여 이차전지를 가압 및 가열한 상태에서 수행할 수 있다.
상기 가압은 상기 이차전지의 양 쪽 전극 면에 대해 압력을 가하는 것일 수 있다.
상기 가압은 이차전지의 전극 면의 면적 중 50% 이상의 면적에 압력을 가하는 것일 수 있다.
상기 가압 및 가열은 20 내지 100℃의 온도로 가열된 가압 부재를 10000kgf 이하의 압력으로 가압하여 수행할 수 있다.
상기 가압부재는 상기 전극 면의 전체 면적에 대하여 50% 이상 200% 이하의 면적을 갖는 크기일 수 있다.
상기 피어싱은 가스 포집용 포켓의 장방향 길이를 반분하는 중심선으로부터 일 방향 또는 양 방향 최외측까지의 영역 중 40% 이상의 영역에 형성할 수 있다.
상기 피어싱은 상기 가스 포집용 포켓의 양면에 형성될 수 있다.
상기 1차 디개싱은 진공으로 흡입하여 수행할 수 있다.
상기 1차 디개싱은 가스 포집용 포켓의 양면에서 진공으로 흡입하여 수행할 수 있다.
상기 1차 디개싱은 외기가 차단된 상태에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 2차 디개싱 단계는 가스 포집용 포켓을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법에 따르면, 예비 충전 공정 중에 발생한 가스를 미리 제거함으로써 활성화 공정 중에 발생되는 다량의 가스를 포집하기 위한 가스 포집용 포켓의 크기를 줄일 수 있어, 가스 포집용 포켓을 위해 요구되는 파우치의 자재를 절감시킬 수 있다.
나아가, 다량의 가스 발생으로 인해 전지케이스가 부풀어 오름으로 인해 발생할 수 있는 전지의 품질 저하 문제를 경감시킬 수 있어, 제품의 품질 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 가스 포집용 포켓을 갖는 케이스 내에 전극조립체를 수납하는 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 가스 포집용 포켓을 갖는 전지케이스 내에 전극조립체가 수납된 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 예비 활성화 공정에 의해 가스를 발생시키고, 발생된 가스를 가스 포집용 포켓으로 이동시키는 예비 활성화 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 예비 활성화 공정 중에 생성되어 가스 포집용 포켓에 수납된 가스를 제거(디개싱)하기 위해 피어싱이 형성된 가스 포집용 포켓을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 가스 포집용 포켓에 형성된 피어싱을 통해 가스를 제거하는 1차 디개싱 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 1차 디개싱한 후에 피어싱 영역을 실링하는 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7(a)는 참고예 1 및 2에서 제조된 파우치 전지셀(가스포집용 포켓 100%)을 촬영한 사진이고, 도 7(b)는 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 파우치 전지셀(가스포집용 포켓 75%)을 촬영한 사진이며, 도 7(c)는 비교예 2 및 실시예 2에서 제조된 파우치 전지셀(가스포집용 포켓 50%)을 촬영한 사진이다.
도 8은 비교예 1 및 2에서 제조된 파우치 전지셀에 대하여 만충전하고, 가스 포집용 포켓을 제거한 후의 파우치 전지셀의 테라스(도 8(a)) 및 코너(도 8(b)) 부위를 촬영한 사진으로서, 도 8(a)는 비교예 1에서 얻어진 전지셀을 나타내고, 도 8(b)는 비교예 2의 전지셀을 나타낸다.
도 9는 실시예 1에서 제조된 파우치 전지셀의 표면을 촬영한 사진이다.
도 10은 참고예 1 및 2, 비교예 1 및 2, 그리고, 실시예 1 및 2에서 얻어진 전지셀에 대하여 SOC 96%, 55℃의 고온 저장 조건 하에서 12주 동안 저장한 후에 셀의 용량유지율 변화를 측정하고, 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 참고예 1 및 2, 비교예 1 및 2, 그리고, 실시예 1 및 2에서 얻어진 전지셀에 대하여 SOC 96%, 55℃의 고온 저장 조건 하에서 12주 동안 저장한 후에 셀의 방전 DC-IR 변화를 측정하고, 그 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 이차전지의 제조 중, 화성 공정 중에 적용되는 신규한 화성 공법을 제공하고자 하는 것으로서, 본 발명의 활성화 방법은 예비활성화, 1차 디개싱 및 2차 디개싱 단계를 포함한다.
본 발명의 활성화 방법은 파우치형 이차전지에 적합하게 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 파우치형 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스의 내부에 전해액과 함께 밀봉된 것일 수 있다.
상기 전극조립체는 특별히 한정하지 않으며, 2 이상의 음극과 양극이 교대로 적층되며, 음극과 양극 사이에 분리막이 적층되어 전극조립체를 구성하는 스택형일 수 있고, 상기 2 이상의 음극과 양극이 교대로 적층되되, 음극과 양극이 장방형의 분리막에 의해 권취된 스택앤 폴딩형 전극조립체일 수 있으며, 음극과 양극을 분리막을 경계로 적층하고, 이들이 권취된 젤리롤형 전극조립체일 수 있다. 나아가, 상기 전극조립체는 이들 중 2 이상이 조합되어 형성된 하나의 전극조립체일 수 있고, 2 이상의 전극조립체가 적층된 것일 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 전극조립체(100)를 파우치형 전지케이스(110)에 수용한다. 상기 전지케이스(110)는 상기 전극조립체(100)가 위치하는 수납부(120) 및 가스 포집용 포켓(150)이 형성되며, 상기 수납부(120) 및 가스 포집용 포켓(150)은 전지케이스(110)로 제공되는 파우치를 가압하여 연신시킴으로써 소정 형상의 수납부(120) 및 가스 포집용 포켓(150)용 홈이 형성될 수 있다.
상기 전극조립체(100)를 전지케이스(110)의 수납부(120)에 위치시킨 후 전지케이스(110)를 전극조립체(100)의 본방 사이즈에 따라 접거나 또는 별도의 커버 케이스를 덮은 후 전지케이스(110)의 외주면을 열융착하여 실링함으로써 전극조립체(100)가 밀봉되고, 가스 포집용 포켓(150)을 갖는 이차전지(200)를 제조할 수 있다.
구체적으로 도 2에 나타낸 바와 같이, 전극조립체(100)가 수납부(120)에 위치된 상태에서 전지케이스(110)의 외주면을 실링하여 밀봉하고, 상기 전극조립체(100)의 수납부(120)와 가스 포집용 포켓(150) 사이를 실링한다. 이때, 상기 수납부(120)와 가스 포집용 포켓(150) 사이에는 수납부(120)로부터 가스 포집용 포켓(150)으로 가스가 이동할 수 있는 유로가 형성될 수 있다.
이에 의해 얻어진 이차전지(200)는 도 1에 나타낸 바와 같은 양쪽 방향으로 리드탭(50)이 인출되는 양방향 셀일 수 있음은 물론, 한 쌍의 리드탭(50)이 양쪽 방향으로 인출되는 멀티탭 셀일 수 있으며, 또한, 한쪽 방향으로 리드탭(50)이 모두 인출되는 단방향 셀일 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다.
이와 같은 파우치형 이차전지(200)는 전해액을 포함하는 상태에서 이차전지의 활성화 공정이 수행되는데, 본 발명의 활성화 공정은 예비 활성화 공정을 수행한 후에 본 활성화 공정을 수행한다.
상기 예비 활성화는 충전에 의해 수행할 수 있는 것으로서, 이차 전지 활성화 단계 중 최초의 충방전 단계이며, 가압 부재(170)를 이용하여 이차전지(200)를 가압 및 가열함과 동시에 이차전지(200)를 충방전하는 단계라 할 수 있다.
상기 예비 활성화 공정은 이차전지(200)의 전체 활성화 공정 중에서 발생하는 가스의 일부를 본 활성화 공정 전에 미리 제거하고자 하는 것이다. 특히, 활성화 공정에 의해 발생하는 가스량은 활성화 공정의 초기에 가장 많이 발생하는데, 본 발명에서와 같이 예비 활성화 공정을 수행함으로써 전체 활성화 공정 중에서 발생하는 가스의 상당량을 미리 제거할 수 있다.
예비 활성화 공정을 통해 이차 전지의 리튬과 전해액이 화학적으로 반응해 고체전해질중간물질(SEI: Solid Electrolyte Interphase)을 음극에 균일하게 형성할 수 있다.
이와 같이 가스 발생량의 일부를 미리 제거하는 경우, 활성화 공정 중에 발생하는 가스의 전부를 포집하는 경우에 비하여 가스 포집용 포켓(150)의 사이즈를 줄일 수 있으며, 전지 케이스(110)가 다량의 가스로 인해 팽창함으로써 전지케이스(110)가 손상됨으로 인한 품질 저하를 방지할 수 있음은 물론, 이로 인한 이차적인 위험을 미연에 방지할 수 있다.
상기 예비 활성화를 위한 충전은 SOC(state of charge) 100% 이내, 예를 들어, 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하, 70% 이하, 65% 이하, 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 또는 10% 이하에서 수행할 수 있으며, 보다 구체적으로는, 1 내지 70%, 1 내지 50%, 1 내지 30%, 1 내지 20%, 1 내지 10%, 3 내지 20%, 3 내지 10%의 범위에서 수행할 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다.
상기 예비 활성화 공정은 소정의 지그 등의 가압 부재(170)를 사용하여 이차전지의 전지케이스(110)가 과도하게 팽창하지 않도록 형태를 유지한 상태에서 수행할 수 있으며, 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이, 실링된 전지케이스(110)의 외면을 가압 부재(170)들을 사용하여 가압한 상태에서 충전함으로써 수행할 수 있다. 구체적으로는 전지 케이스(110) 내에 상기 전극조립체(100)가 수납되어 실링된 이차전지(200)의 두께 방향에 대하여 상하 양면에, 즉, 이차전지(200) 양쪽의 전극 면 상에 상기 가압 부재(170)를 사용하여 가압하면서 충전함으로써 예비활성화 공정을 수행할 수 있다.
가압 상태에서 예비 활성화 공정을 수행함으로써 예비 활성화 과정에서 발생되는 가스가 전극 및 분리막 접촉 계면 사이에 잔류하지 않고, 가스 포집용 포켓(150)으로 보다 용이하게 이동시킬 수 있다.
상기 가압은 상기 이차전지(200)의 전지 케이스(110) 내에 수납되는 전극조립체(100)의 전극면에 대응하는 면의 면적에 대해 50% 이상, 예를 들어, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상의 면적에 가압할 수 있으며, 또, 100%, 즉, 전극면 전체에 대해 가압할 수 있다.
상기 가압 부재(170)에 의한 가압은 특별히 한정하지 않으며, 예비 활성화 공정 중에 발생되는 가스에 의해 전지케이스(110)가 팽창하여 형태가 변형되는 것을 방지할 수 있는 정도로 압력을 가할 수 있으며, 전극조립체(100) 내부의 전극과 분리막 접촉면이 가스에 의해 들뜨는 현상을 방지하고 예비 활성화 공정 동안 충분히 밀착될 수 있을 정도의 압력을 가할 수 있다.
상기 압력은 이에 한정하는 것은 아니지만, 10,000kgf/㎠ 이하의 압력을 가할 수 있으며, 예를 들어, 0.1, 0.5, 0.7, 1, 3, 5, 7, 10, 20, 30, 50 또는 100kgf/㎠ 이상, 500, 700, 1,000, 2,000, 3,000, 5,000, 7,000 또는 10,000kgf/㎠ 이하의 압력을 가할 수 있다.
상기 가압 부재(170)는 가압하는 전극면의 전체 면적에 대해 상기한 바와 같은 면적으로 가압할 수 있는 것이라면 그 크기에 대하여는 특별히 한정하지 않는다. 따라서, 상기 가압 부재(170)는 상기 전극조립체(100)의 전극면에 대응하는 면의 면적에 대해 50% 이상, 예를 들어, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 또는 90% 이상의 면적을 갖는 크기를 가질 수 있으며, 상기 전극면과 동일한 크기의 면적을 가질 수 있다. 나아가, 상기 가압 부재(170)는 도 3에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 상기 전극면보다 더 큰 면적을 가질 수 있으며, 예를 들어, 상기 전극면의 면적에 대해 200% 이하의 면적, 예를 들어, 190% 이하, 180% 이하, 170% 이하, 160% 이하, 150% 이하, 140% 이하, 130% 이하, 120% 이하, 110% 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 가압부재(170)의 형상은 특별히 한정하지 않으나, 상기 가압부재(170)로 가압하고자 하는 이차전지(200)의 전극면과 상이한 형상을 가질 수 있고, 또 동일한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 가압 부재(170)는 상기 이차전지(200)의 전극면과 동일한 형상을 갖는다고 함은 상기 가압부재(170)와 이차전지(200)의 전극면의 평면 형상이 동일하고, 소정의 배율로 축소 또는 확대된 형상을 가질 수 있다. 이때의 배율은 상기 전극면에 대한 가압부재(170)의 면적비일 수 있다.
나아가, 예비활성화 과정에서 발생된 가스를 가스 포집용 포켓(150)으로 보다 용이하게 이동시킬 수 있도록 하기 위해 상기 가압부재(170)는 가압시에 이차전지(200)의 전면에 대해 균일한 압력을 가할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 가압 부재(170)는 재질, 강도 등에 따라 상이하지만 5 내지 30㎜의 두께를 가질 수 있다.
상기 가압 부재(170)는 전지케이스(110)에 대하여 열 및 압력을 제공할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 보다 구체적으로, 상기 가압 부재(170)는 전지에 압력과 함께 열을 가할 수 있는 가열수단(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 가열은 상기 가압 부재(170)의 온도를 20 내지 100℃의 범위로 되도록 수행할 수 있다. 상기 가열은 20℃ 이상, 30℃ 이상, 40℃ 이상, 또는 50℃ 이상 및 100℃ 이하, 90℃ 이하, 80℃ 이하, 70℃ 이하, 또는 60℃ 이하로 수행할 수 있다. 상기 온도 범위로 가열하여 예비 활성화 공정을 수행하는 경우, 보다 많은 양의 가스 발생을 유도할 수 있으나, 100℃를 초과하는 정도의 온도로 가열하는 경우에는 이차전지(200)의 품질 저하를 초래할 수 있고, 또한 화재 발생을 야기할 수 있다.
상기와 같은 예비 활성화 과정을 통해, 생성된 가스는 가스 포집용 포켓(150)으로 이동하여 포집되는데, 가스 포집용 포켓(150)에 포집된 가스를 제거하는 디개싱 공정을 수행한다. 여기서의 디개싱 공정은 본 활성화 공정에 의해 생성된 가스를 제거하는 디개싱 공정과 구별하여 1차 디개싱 공정이라 한다.
보다 구체적으로, 상기 1차 디개싱 공정은 예비활성화와 동시에 수행할 수 있다. 즉, 이차전지를 예비 충전하여 가스를 발생시키는 예비 활성화 공정을 수행하면서, 상기 예비 충전에 의한 가스 발생에 따라 실시간으로 1차 디개싱을 수행할 수 있다.
이때, 실시간이라 함은 예비 활성화 단계에서 가스가 발생할 때, 또는 가스 포집용 포켓(150)에 가스가 포집될 때 상기 1차 디개싱을 수행하는 것으로서, 적어도 이차전지를 예비 충전하여 가스가 발생하는 과정 중에 1차 디개싱을 수행하는 것을 포함한다.
상기 1차 디개싱 공정은 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 가스 포집용 포켓(150)의 일부에 피어싱(piercing)(160)을 형성하고, 상기 피어싱(160)을 통해 가스 포집용 포켓(150) 내의 가스를 배출시킴으로써 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 가스의 배출은 도 5에 나타낸 바와 같이, 가스 포집용 포켓(150)의 양면에 지그(180)를 맞대고 피어싱(160)을 통해 가스를 진공 흡입함으로써 수행될 수 있다.
상기 피어싱(160)의 형성 위치는 특별히 한정하지 않으나, 도 4에 나타낸 바와 같이 가스 포집용 포켓(150)의 가장자리에 형성될 수 있다. 상기 예비 활성화에 의해 생성된 가스를 제거한 후에 본 활성화를 수행하므로 상기 피어싱(160)을 실링하여 제거하는 것이 필요하며, 상기 피어싱(160)은 실링에 의한 제거의 용이성 측면에서 가스 포집용 포켓(150)의 가장자리에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 피어싱(160)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 가스 포집용 포켓(150)을 장방향으로 반분하는 중심선(CL)으로부터 멀리 이격된 위치에 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 중심선(CL)을 0%라 하고, 가스 포집용 포켓(150)의 양쪽 최외측을 각각 100%라 할 때, 상기 피어싱(160)은 30% 이상, 50% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상의 위치에 형성될 수 있다. 또한, 상기 피어싱(160)은 중심선(CL)을 기준으로 어느 한쪽에 형성될 수 있고, 양쪽에 형성될 수 있다.
나아가, 도 4에는 상기 피어싱(160)이 각각의 위치에 1개 형성된 예를 나타내었으나, 이에 한정되지 않으며, 2개 이상 복수개로 형성될 수 있다.
또한, 가스 포집용 포켓(150)의 중앙부에 피어싱(160)이 형성된 경우, 가스 포집용 포켓(150)에 다량 채워진 가스를 제거하기 위해 진공 흡입하면 양면에 맞대어진 양쪽 지그(180) 사이의 가스 포집용 포켓(150) 내부의 공간이 좁아져 가스 제거 공정을 원활하게 진행시키기 어렵다. 따라서, 도 4에 나타낸 바와 같이 가스 포집용 포켓(150)의 가장자리로서 전극탭이 인출되는 방향과 동일한 방향의 가장자리에 피어싱(160)이 형성되는 것이 보다 바람직하다. 상기 피어싱(160)의 개수는 가스 포집용 포켓(150)의 일면에 1 또는 2 이상 형성될 수 있으며, 양면에 대응되는 위치에 각각 형성될 수 있다. 보다 신속한 가스 배출을 위해 상기 피어싱(160)은 복수 개 형성되고, 또 양면에 대응되는 위치에 각각 형성될 수 있다.
상기 가스 포집용 포켓(150)으로부터 가스의 제거가 완료된 후에는 도 6에 나타낸 바와 같이, 전지케이스(110)가 밀봉되도록 피어싱(160) 부위를 국부적으로 실링한다. 상기 실링은 통상적인 전지케이스(110)의 열실링과 동일한 방법에 의해 수행될 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다.
상기 예비 활성화에 의해 가스 포집용 포켓(150)에 포집된 가스를 배출시키기 위해 가스 포집용 포켓(150)에 피어싱(160)을 형성하는 단계에서부터 가스 배출을 위한 1차 디개싱 단계 및 상기 전지케이스(110)를 열실링하는 단계는 외기가 완전히 차단된 상태에서 수행하는 것이 안전성 측면에서 바람직하다.
상기 1차 디개싱 단계는 피어싱(160) 부위에 진공 패드를 부착하여 디개싱을 수행하며, 이에 의해 이차전지(200) 내부의 가스를 효과적으로 제거할 수 있고, 나아가, 외기가 이차전지(200) 내부와 접촉하는 것을 방지할 수 있어, 외기 중에 포함된 수분으로 인한 이차전지의 품질 저하를 방지할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 방법에 따르면, 예비 활성화 공정에 의해 가스를 생성시키고, 생성된 가스를 미리 제거함으로써, 종래 활성화 공정의 전 과정 중에서 발생하는 가스를 포집하였다가 최종적으로 디개싱하는 경우에 요구되었던 가스 포집용 포켓의 크기에 비하여 그 크기를 감소시킬 수 있고, 이에 의해 파우치 필름의 사용량을 현저하게 감소시킬 수 있어, 원가 절감을 구현할 수 있다.
특히, 가스가 많이 발생하는 고성능 전지에 있어서는 가스 발생량이 매우 많아, 전체 활성화 공정을 수행한 후에 디개싱 공정을 수행하는 경우에는 다량의 가스 포집을 위하여 보다 큰 가스 포집용 포켓이 요구되는데, 본 발명에 따르면 고성능의 전지에 있어서도 가스 포집용 포켓의 크기 증가를 억제할 수 있다.
또한, 종래의 방법과 같이 전체 활성화 공정의 수행 후에 디개싱 공정을 수행하는 경우에는 전지케이스의 팽창으로 인해 전지케이스의 변형을 초래하고 이로 인한 제품 품질의 저하 및 전지 안전성이 저하되는 등의 문제도 방지할 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 1차 디개싱 공정을 수행한 후에는 통상적인 활성화 공정에 따라 충전을 수행하고, 이에 의해 발생된 가스를 가스 포집용 포켓으로부터 제거하는 2차 디개싱 공정을 수행하는 과정을 포함하며, 상기 가스 포집용 포켓은 최종적으로 이차전지로부터 제거된다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 들어, 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예로서, 이에 의해 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다.
<가스 포집용 포켓을 구비하는 파우치 전지의 제조>
참고예 1 및 2
라미네이트 시트로 이루어지고, 전극조립체의 수납을 위한 수납부 및 가스 포집용 포켓을 구비하는 파우치형 전지케이스 2개를 준비하였다.
상기 파우치 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 수용되고, 전해액이 주입되어 열융착에 의해 실링된 동일한 전지셀을 2개 준비하였다(각각 참고예 1 및 2). 상기 참고예 1의 전지셀을 사진 촬영하고, 도 7 (a)에 나타내었다.
준비된 전지셀에 대하여 SOC 0% → 3% (0.25C) → 50% (0.85C)로 예비 충전 공정을 수행하고, 별도의 가스 제거 과정 없이 만충전을 수행한 후, 가스 포집용 포켓을 제거하였다.
비교예 1 및 2
참고예 1의 파우치 전지케이스에 구비된 가스 포집용 포켓의 크기를 100%라고 할 때, 가스 포집용 포켓의 크기가 75%(비교예 1) 및 50%(비교예 2)로 축소된 것을 제외하고는 동일한 파우치형 이차전지를 제조하였다. 상기 파우치형 이차전지들을 각각 사진 촬영하고, 도 7 (b) 및 도 7 (c)에 나타내었다.
준비된 전지셀에 대하여 SOC 0% → 3% (0.25C) → 50% (0.85C)로 예비 충전 공정을 수행하고, 별도의 가스 제거 과정 없이 만충전을 수행한 후, 가스 포집용 포켓을 제거하였다.
실시예 1 및 2
비교예 1 및 2와 동일한 동일한 파우치 전지셀을 각각 제조하였다(실시예 1 및 실시예 2).
준비된 전지셀에 대하여 SOC 0% → 3% (0.25C) → 가스제거 → 50% (0.85C)로 예비 충전 공정을 수행하였다. 상기 가스 제거는, 진공상태에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 파우치 전지케이스의 가스 포집용 포켓의 양 면의 양 모서리(중심선(CL)으로부터 80% 영역)에 각각 피어싱한 후, 도 5에 나타낸 바와 같이, 진공패드를 각 피어싱 부위에 위치시키고, 가압하여 가스를 진공패드로 배출함으로써 수행하였다.
상기 예비 충전 공정 완료 후에 만충전시키고, 가스 포집용 포켓을 제거하였다.
<셀 외관 평가>
가스 포집용 포켓의 크기를 축소한 비교예 1 및 2의 경우에는 도 8 (a) 및 도 8 (b)에 나타낸 바와 같이 셀의 테라스 및 코너 부위에서 파우치의 변형이 발생하였다. 활성화 공정 중에 다량의 가스가 발생함에도 불구하고, 가스 포집용 포켓의 크기가 감소함으로 인해 전지케이스에 영향을 주어 케이스의 변형을 야기한 것이다.
반면, 실시예 1 및 2의 경우에는 가스 포집용 포켓의 크기를 25% 및 50% 감소시켰음에도 불구하고, 도 9에 나타낸 바와 같이, 전지케이스의 표면 품질이 양호한 상태를 유지하여, 어떠한 변형이 발생하지 않음을 알 수 있다. 이는 예비 충전 공정 중에 발생한 가스를 제거함으로써 가스 포집용 포켓의 사이즈 감소에 따른 영향을 방지할 수 있었기 때문이다. 나아가, 가스 포집용 포켓의 사이즈를 줄임으로써 전체적인 파우치 사용량을 감소시킬 수 있어 원가절감 효과를 얻을 수 있다.
<셀 성능 테스트>
상기 참고예 1 및 2, 비교예 1 및 2, 그리고, 실시예 1 및 2에서 얻어진 전지셀에 대하여 SOC 96%, 55℃의 고온 저장 조건 하에서 12주 동안 저장한 후에 셀의 용량유지율 및 방전 DC-IR 변화를 테스트하고, 그 결과를 도 10 및 11에 나타내었다. 도 10은 용량 유지율 변화를 나타내는 그래프이고, 도 11은 방전 DC-IR 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11로부터, 12주 동안의 저장기간 경과 후에 용량 유지율 및 방전 DC-IR은 미세하게 변화하였으나, 유의미한 차이를 나타내지 않으며, 참고예 1 및 2와 비교하여도 거의 변화가 없음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 활성화 방법을 적용하는 경우에는 이차전지의 표면 품질을 유지하면서 가스 포집용 포켓을 형성하는데 사용되는 파우치의 사용량을 현저하게 감소시킬 수 있어 이차전지 제조시의 원가 절감을 도모할 수 있다.
50: 리드탭
100: 전극조립체
110: 전지케이스
120: 수납부
150: 가스 포집용 포켓
160: 피어싱
170: 가압 부재
180: 지그
200: 이차전지

Claims (13)

  1. 이차전지의 활성화 방법으로서,
    전극조립체 및 전해액이 밀봉되고, 가스 포집용 포켓을 포함하는 파우치형 이차전지를 예비 충전하여 가스를 발생시키는 예비 활성화 단계;
    상기 가스 포집용 포켓에 피어싱(piercing)을 형성하고, 상기 예비 활성화 단계 중에 발생된 가스를 상기 피어싱을 통해 실시간으로 1차 디개싱한 후, 상기 피어싱을 실링하는 1차 디개싱 단계; 및
    상기 예비 활성화된 이차전지를 에이징 및 2차 디개싱하는 2차 디개싱 단계
    를 포함하는 이차전지의 활성화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 예비 활성화 단계는 SOC(state of charge) 100% 이하로 수행하는 것인 이차전지의 활성화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 예비 활성화 단계는 가압부재를 사용하여 이차전지를 가압 및 가열한 상태에서 수행하는 것인 이차전지의 활성화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가압은 상기 이차전지의 양 쪽 전극 면에 대해 압력을 가하는 것인, 이차전지의 활성화 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 가압은 이차전지의 전극 면의 전체 면적 중 50% 이상의 면적에 압력을 가하는 것인, 이차전지의 활성화 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 가압 및 가열은 20 내지 100℃의 온도로 가열된 가압 부재를 10000kgf 이하의 압력으로 가압하여 수행하는 것인 이차전지의 활성화 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 가압부재는 상기 전극면의 면적에 대해 50% 이상 200% 이하의 면적을 갖는 크기인, 이차전지의 활성화 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 피어싱은 가스 포집용 포켓의 장방향 길이를 반분하는 중심선으로부터 일 방향 또는 양 방향 최외측까지의 영역 중 40% 이상의 영역에 형성하는 것인, 이차전지의 활성화 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 피어싱은 상기 가스 포집용 포켓의 양면에 형성되는 것인, 이차전지의 활성화 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 1차 디개싱은 진공으로 흡입하여 수행하는 것인, 이차전지의 활성화 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 1차 디개싱은 가스 포집용 포켓의 양면에서 진공으로 흡입하여 수행하는 것인, 이차전지의 활성화 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 1차 디개싱은 외기가 차단된 상태에서 수행하는 것인, 이차전지의 활성화 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 2차 디개싱 단계는 가스 포집용 포켓을 제거하는 단계를 포함하는 것인 이차전지의 활성화 방법.
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