KR20230094396A - 이차 전지 제조 방법 및 이차 전지 - Google Patents

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배관홍
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Abstract

본 출원은 전해액의 영향을 최소화할 수 있는 이차 전지 제조 방법 및 이차 전지에 관한 것이다.

Description

이차 전지 제조 방법 및 이차 전지{MANUFACTURING METHOD FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY}
본 출원은 전해액의 영향을 최소화할 수 있는 이차 전지 제조 방법 및 이차 전지에 관한 것이다.
화석 연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정 에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기 화학 반응을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기 화학적 에너지를 이용하는 전기 화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지가 있고, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이온 전지 등의 종류가 있으며, 모바일 기기의 보급이 확산됨에 따라 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
그 중에서도 리튬 이온 이차 전지는 재충전이 가능하고, 경량, 장수명, 고용량 등의 우수한 특성으로 인해 모바일 기기의 구동 전원으로서 각광받고 있다. 이에 따라, 리튬 이온 이차 전지의 연구개발 노력이 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이온 이차 전지의 경우, 반응성이 큰 리튬의 특성상 폭발의 위험이 있다. 리튬 이온 이차 전지의 폭발 원인은 다양하나, 그 중 내부 기체 압력의 증가가 하나의 원인이다. 구체적으로, 전극이 과충전, 과방전, 과전류 상태가 되면 전극의 발열 또는 발화로 인해 이차 전지 내부에 기체가 발생하고, 발생된 기체로 인해 이차 전지 내부 압력이 증가하여 폭발이 야기될 수 있다.
이차 전지의 전극의 발열 또는 발화로 인한 폭발을 방지하기 위하여, 일반적으로 원통형 이차 전지의 상단에 전지 외장캡이 배치되어 있고, 용접 등의 방법으로 밀봉시킨다. 즉, 이차 전지를 밀봉 상태로 유지시켜, 내부의 전해액이나 발생된 기체가 외부로 흘러나오는 것을 방지할 수 있다.
전지 외장캡의 밀봉 용접시, 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새에 전해액이 잔류하는 경우, 이차전지의 용접 불량으로 이어지는 위험이 존재한다. 종래에는 전지 외장재에 전지 외장캡을 결합한 후, 낮은 출력의 레이저를 조사하여 주위의 잔류 전해액을 증발시켜 제거한 후, 밀봉 용접하는 방법으로 실시되고 있다.
종래의 방법으로는 잔류 전해액을 증발시켜 제거하는 단계 이후 본 밀봉 용접 단계 사이의 지연 시간 동안 전해액이 흘러나올 수 있어, 여전히 용접 불량의 문제가 존재하게 된다. 따라서, 이차 전지의 용접 불량을 야기하는 잔류 전해액을 효과적으로 제거하여, 그 영향을 최소화할 수 있는 이차 전지의 제조 방법이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2005-0080516호
본 출원은 전해액의 영향을 최소화할 수 있는 이차 전지 제조 방법 및 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 전지 외장재 내부에 전지 조립체를 삽입하는 단계; 상기 전지 외장재 내부에 전해액을 주입하는 단계; 상기 전지 외장재의 개구에 전극이 구비된 전지 외장캡을 배치하는 단계; 및 상기 전지 외장캡을 원형궤도로 용접하여 밀봉하는 단계;를 포함하는 이차 전지 제조 방법으로, 상기 밀봉하는 단계는 상기 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하는 단계; 및 상기 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 용접하는 단계;를 포함하는 것인 이차 전지 제조 방법을 제공한다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 전지 조립체가 삽입된 전지 외장재; 상기 전지 외장재의 개구에 구비된 전지 외장캡; 및 상기 전지 외장재와 상기 전지 외장캡을 밀봉하는 용접부;를 포함하는 이차 전지로, 상기 전지 외장캡은 원형이며, 상기 용접부는 상기 전지 외장캡의 원형 궤도를 따라 용접된 형태로, 상기 용접부의 시작부는 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 포함하는 것인 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법의 경우, 전지 외장캡의 원형 용접궤도 내부에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 포함하여 원형 궤도로 용접하는 방법이다.
밀봉하는 원형 궤도에서 벗어난 부위에서부터 용접을 시작함으로써, 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새의 전해액이 증발하여 제거되며, 지연 시간 없이 동시에 밀봉 용접을 실시할 수 있다. 즉, 이차 전지의 밀봉 용접시의 잔류 전해액의 영향을 효과적으로 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 전지 외장캡을 용접하는 용접 궤도로, 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 도시한 것이다.
도 2는 본 출원의 일 실시상태에 따른 전지 외장캡을 용접하는 용접 궤도로, 스팟 형태의 용접궤도 시작부를 도시한 것이다.
도 3은 본 출원의 일 실시상태에 따른 전지 외장캡의 용접부의 확대도이다.
도 4는 본 출원에 따른 꼬리 형태 또는 스팟 형태의 용접궤도 시작부를 포함하지 않고, 기존의 방법으로 용접한 전지 외장캡의 용접부의 확대도이다.
도 5는 본 출원에 따른 전지 외장캡을 밀봉하기 전 전지 외장재의 개구에 배치된 상태의 확대도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시상태에 따른 꼬리 형태 용접궤도 시작부의 확대도이다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 우선 몇몇 용어를 정의한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 'p 내지 q'는 'p 이상 q 이하'의 범위를 의미한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 설명에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전지 외장재 내부에 전지 조립체를 삽입하는 단계; 상기 전지 외장재 내부에 전해액을 주입하는 단계; 상기 전지 외장재의 개구에 전극이 구비된 전지 외장캡을 배치하는 단계; 및 상기 전지 외장캡을 원형궤도로 용접하여 밀봉하는 단계;를 포함하는 이차 전지 제조 방법으로, 상기 밀봉하는 단계는 상기 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하는 단계; 및 상기 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전지 외장재 내부에 전지 조립체를 삽입하는 단계를 포함한다.
상기 전지 외장재 내부에 전지 조립체를 삽입하는 단계에 있어서, 전지 외장재의 형상은 원통형, 각형, 파우치 등의 여러 가지 종류의 형상이 될 수 있으나, 바람직하게는 원통형일 수 있다.
상기 전지 외장재 내부에 전지 조립체를 삽입하는 단계에 있어서, 전지 조립체는 충방전이 가능한 발전 소자로서, 양극, 음극 및 분리막을 포함할 수 있다.
상기 전지 조립체는 양극, 분리막, 음극이 교대로 층되어 결집된 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 분리막이 지그재그 형태로 폴딩되고, 폴딩되는 분리막 사이사이에 양극 및 음극이 교대로 배치되는 형태일 수 있다.
상기 양극은 양극 집전체층과 양극 활물질층을 포함할 수 있고, 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함할 수 있다.
상기 양극 집전체층의 재료는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 구리나 알루미늄, 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로는 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄으로 이루어진 적어도 1종의 전이금속과 리튬을 포함하는 리튬 전이금속 복합 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 리튬 전이금속 복합 산화물은 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 전이금속과 리튬을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 전이금속 복합 산화물로는 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O4　등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2　등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2　등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1-YMnYO2(여기에서, 0<Y<1), LiMn2-zNizO4(여기에서, 0＜Z＜2) 등), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y1CoY1O2(여기에서, 0<Y1<1) 등), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1-Y2MnY2O2(여기에서, 0<Y2<1), LiMn2-z1Coz1O4(여기에서, 0＜Z1＜2) 등), 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물(예를 들면, Li(NipCoqMnr1)O2(여기에서, 0＜p＜1, 0＜q＜1, 0＜r1＜1, p+q+r1=1) 또는 Li(Nip1Coq1Mnr2)O4(여기에서, 0＜p1＜2, 0＜q1＜2, 0＜r2＜2, p1+q1+r2=2) 등), 또는 리튬-니켈-코발트-전이금속(M) 산화물 (예를 들면, Li(Nip2Coq2Mnr3MS2)O2(여기에서, M은 Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되고, p2, q2, r3 및 s2는 각각 독립적인 원소들의 원자분율로서, 0＜p2＜1, 0＜q2＜1, 0＜r3＜1, 0＜s2＜1, p2+q2+r3+s2=1이다) 등) 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물이 포함될 수 있다. 이중에서도 전지의 용량 특성 및 안정성을 높일 수 있다는 점에서 상기 리튬 전이금속 복합 산화물은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, 리튬 니켈-망간-코발트 산화물(예를 들면, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2　또는 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2　등), 또는 리튬 니켈코발트알루미늄 산화물(예를 들면, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2　등) 등일 수 있으며, 리튬 전이금속 복합 산화물을 형성하는 구성원소의 종류 및 함량비 제어에 따른 개선 효과의 현저함을 고려할 때 상기 리튬 전이금속 복합 산화물은 Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2　또는 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2　등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체층과 음극 활물질층을 포함할 수 있고, 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체층의 재료는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 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 활물질은 통상적으로 사용되는 음극 활물질일 수 있으며, 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 활물질은 탄소계 활물질, 규소계 활물질, 리튬과 합금이 가능한 금속계 활물질 및 리튬 함유 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 다닐물 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.
상기 탄소계 활물질은 인조 흑연, 천연 흑연, 하드 카본, 소프트 카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 수퍼 P, 그래핀 및 섬유상 탄소를 포함할 수 있다.
상기 규소계 활물질은 규소, 규소의 합금, SiB4, SiB6, Mg2Si, Ni2Si, TiSi2, MoSi2, CoSi2, NiSi2, CaSi2, CrSi2, Cu5Si, FeSi2, MnSi2, NbSi2, TaSi2, VSi2, WSi2, ZnSi2, SiC, Si3N4, Si2N2O, SiOx(0<x<2)로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
상기 금속계 활물질은 Al, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti, Sb, Ga, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sr 또는 Ba 등을 포함할 수 있다. 이들은 단체, 합금, 산화물, 질화물, 황화물, 붕화물, 리튬과의 합금 등 어떠한 형태로든 사용할 수 있다.
상기 양극 활물질층 및 음극 활물질층은 도전재, 바인더를 더 포함할 수 있다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴 리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메 타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필 셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 프로필렌 중합체, 폴리아 크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크 릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전지 외장재 내부에 전해액을 주입하는 단계를 포함한다.
상기 전지 외장재 내부에 전해액을 주입하는 단계에 있어서, 상기 전해액은 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해액은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전지 외장재의 개구에 전극이 구비된 전지 외장캡을 배치하는 단계를 포함한다.
상기 전지 외장재의 개구에 전극이 구비된 전지 외장캡을 배치하는 단계에 있어서, 전지 외장캡은 전지 외장재의 개구를 모두 덮도록 배치된다.
상기 전지 외장재의 개구에 전극이 구비된 전지 외장캡을 배치하는 단계에 있어서, 전지 외장캡은 원형일 수 있고, 전지 외장캡의 모양은 전지 외장재의 개구의 모양과 일치한다.
도 5는 전지 외장캡을 밀봉하기 전 전지 외장재의 개구에 배치된 상태의 확대도이다. 확대도에서, 전지 외장캡과 전지 외장재 사이의 틈새를 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법은, 상기 전지 외장캡을 원형궤도로 용접하여 밀봉하는 단계를 포함한다.
상기 전지 외장캡을 원형궤도로 용접하여 밀봉하는 단계는, 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하는 단계 및 상기 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 용접하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하는 단계에 있어서, 꼬리 형태의 용접궤도 시작부는 도 1에 나타난 것과 같이 외장캡의 밀봉하는 원형궤도 안쪽에 형성될 수 있다.
상기 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하는 단계에 있어서, 스팟 형태의 용접궤도 시작부는 도 2에 나타난 것과 같이 외장캡의 밀봉하는 원형궤도 안쪽에 형성될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 밀봉하는 원형궤도에서 벗어나 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성한다. 이에 따라 발생한 전도열로 인하여, 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새의 전해액이 증발하여 제거될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법은, 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 용접하는 단계를 포함한다.
상기 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 용접하는 단계는, 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새를 밀봉할 수 있도록 하는 원형궤도를 따라 용접하는 단계이다.
상기 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 용접하는 단계에 있어서, 용접은 이차 전지를 밀봉하기 위해 용접하는 일반적인 방법이 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2에는 꼬리 형태 또는 스팟 형태의 용접궤도 시작부로부터 용접되는 원형궤도가 나타나 있다.
이차 전지의 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새에 전해액이 잔류하는 경우, 이차전지의 용접 불량으로 이어지는 위험이 존재한다. 종래에는 전지 외장재에 전지 외장캡을 결합한 후, 낮은 출력의 레이저를 조사하여 주위의 잔류 전해액을 증발시켜 제거한 후, 밀봉 용접하는 방법으로 실시되고 있다. 종래의 방법으로는 잔류 전해액을 증발시켜 제거하는 단계 이후 본 밀봉 용접 단계 사이의 지연 시간 동안 전해액이 흘러나올 수 있어, 여전히 용접 불량의 문제가 존재하게 된다.
그러나, 본 발명은 상기 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하여, 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새의 전해액이 제거되고 지연 시간 없이 상기 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 용접할 수 있어, 잔류 전해액의 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 상기 전지 외장캡을 원형궤도로 용접하여 밀봉하는 단계는 레이저 용접을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 상기 용접궤도 시작부를 형성하는 단계의 전지 외장캡의 용접궤도 시작부의 주변 온도는 50℃ 이상 2000℃ 이하가 될 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 상기 용접궤도 시작부를 형성하는 단계의 전지 외장캡의 용접궤도 시작부의 주변 온도는 50℃ 이상 1700℃ 이하가 될 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 상기 용접궤도 시작부를 형성하는 단계의 전지 외장캡의 용접궤도 시작부의 주변 온도는 50℃ 이상 1400℃ 이하가 될 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 상기 용접궤도 시작부를 형성하는 단계의 전지 외장캡의 용접궤도 시작부의 주변 온도는 50℃ 이상 1100℃ 이하가 될 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 상기 용접궤도 시작부를 형성하는 단계의 전지 외장캡의 용접궤도 시작부의 주변 온도는 50℃ 이상 800℃ 이하가 될 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 상기 용접궤도 시작부를 형성하는 단계의 전지 외장캡의 용접궤도 시작부의 주변 온도는 50℃ 이상 500℃ 이하가 될 수 있다.
상기 전지 외장캡의 용접궤도 시작부 주변이란, 전지 외장캡에 레이저 용접으로 용접궤도 시작부를 형성하는 경우, 용접궤도 시작부 주변으로 열이 전달되는 부분을 의미한다.
상기 용접궤도 시작부를 형성하는 단계에서 용접시 발생하는 전도열에 의하여 전지 외장캡의 온도가 상승하며, 전해액이 증발 제거된다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 레이저 용접의 레이저 파장 범위는 100 nm 이상 1500 nm 이하일 수 있다. 상기 범위의 레이저 파장을 사용하는 경우, 분리막 손상 등 캔 내부에 영향을 주지 않으면서도 잔류 전해액 제거 및 밀봉을 효과적으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 레이저 용접의 레이저의 에너지는 0.01 J 이상 150 J 이하일 수 있다. 레이저의 펄스 폭 등의 조건에 따라 레이저의 에너지는 변경될 수 있으며, 상기 에너지에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 제조 방법에 있어서, 레이저 용접의 레이저의 속도는 10 mm/sec 이상 10000 mm/sec 이하일 수 있다. 레이저의 출력, 파장 등의 조건에 따라 용접 속도는 조절될 수 있으며, 상기 속도에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 전지 조립체가 삽입된 전지 외장재; 상기 전지 외장재의 개구에 구비된 전지 외장캡; 및 상기 전지 외장재와 상기 전지 외장캡을 밀봉하는 용접부;를 포함하는 이차 전지로, 상기 전지 외장캡은 원형이며, 상기 용접부는 상기 전지 외장캡의 원형 궤도를 따라 용접된 형태로, 상기 용접부의 시작부는 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 용접 궤도 및 그 확대도이다.
도 4는 기존의 용접 방법에 따른 용접 불량을 나타낸 도시이다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지에 있어서, 스팟 형태의 용접궤도 시작부의 크기는 1 μm 이상 1000 μm이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지에 있어서, 꼬리 형태의 용접궤도 시작부의 크기는 1 μm 이상 1000 μm 이하일 수 있다.
상기 스팟 형태 및 꼬리 형태의 용접궤도 시작부의 크기란, 레이저 용접에 의하여 형성되는 용접 비드(Weld Bead)의 크기(직경)를 의미한다. 예를 들어, 도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 꼬리 형태의 용접궤도 시작부의 확대도로, 용접 비드의 크기, 즉 용접궤도 시작부의 크기는 230 μm인 것으로 관찰된다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지에 있어서, 용접 비드(Weld Bead) 또는 비드(Bead)란, 용접에 의하여 용접의 대상이 되는 모재 위에 형성되는 용착 금속을 의미한다.
위에서 설명한 것과 같이, 본 발명은 전지 외장캡의 원형 용접궤도 내부에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 포함하여 원형 궤도로 용접하는 방법 및 이에 따른 이차 전지에 관한 것이다.
밀봉하는 원형 궤도에서 벗어난 부위에서부터 용접을 시작함으로써, 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새의 전해액이 증발하여 제거되며, 지연 시간 없이 동시에 밀봉 용접을 실시할 수 있다. 즉, 이차 전지의 밀봉 용접시의 잔류 전해액의 영향을 효과적으로 최소화할 수 있다는 의의가 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 제공한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예는 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 출원의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1>
1) 전지 외장재 내부에 전지 조립체를 삽입
양극 슬러리를 양극 집전체인 알루미늄 박막에 도포 및 건조한 후, 압연하여 양극을 제조하였다. 음극 슬러리를 음극 집전체인 구리 박막에 도포 및 건조한 후, 압연하여 음극을 제조하였다. 상기 양극, 분리막, 음극을 순차적으로 적층하여 전지 조립체를 제조한 후, 상기 전지 조립체를 외장재 내부에 삽입하였다.
2) 전지 외장재 내부에 전해액을 주입
상기 전지 조립체가 삽입된 전지 외장재 내부에 전해액을 주입하였다.
3) 전지 외장재의 개구에 전극이 구비된 전지 외장캡을 배치
전지 외장캡은 원형으로 전지 외장재의 개구의 모양과 일치하며, 전지 외장재의 개구를 덮도록 배치하였다.
4) 전지 외장캡을 원형궤도로 용접하여 밀봉
전지 외장캡에 밀봉 용접 원형궤도 안쪽에 꼬리 형태로 용접궤도 시작부를 형성하였다(레이저 출력 60 W, 가공속도 70 mm/s, 파장 1060 nm). 도 6에서 확인할 수 있듯이 꼬리 형태 시작부의 크기는 230 μm이었다.
이어서, 상기 꼬리형태의 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 출력 60 W, 가공속도 70 mm/s, 파장 1060 nm으로 레이저 용접하여 전지 외장재에 전지 외장캡을 밀봉하였다.
도 3은 밀봉하여 완성된 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 포함하는 이차 전지의 용접부를 확대한 것이다.
<비교예 1>
전지 외장캡에 용접궤도 시작부를 형성하는 대신 낮은 출력(15W)의 레이저로 잔여 전해액을 제거한 것 외에는 실시예와 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다.
도 4는 상기 이차 전지의 용접부 확대도이다.
도 5는 전지 외장캡을 밀봉하기 전 전지 외장재의 개구에 배치된 상태의 확대도이다. 확대도에서, 전지 외장캡과 전지 외장재 사이의 틈새를 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 용접궤도 시작부를 형성하지 않고, 기존의 낮은 출력의 레이저로 전해액을 증발 제거시킨 경우(비교예 1)에는, 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새의 잔류 전해액으로 인해, 도 4에서와 같이 용접부에 구멍이 관찰되었으며, 비드 형성이 제대로 되지 않아 밀봉 불량이 발생한다.
반면, 본 발명에 따라 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하여 그 전도열을 통해 전해액을 제거시킨 경우(실시예 1)에는, 도 3에서 확인할 수 있듯이 전지 외장재와 전지 외장캡의 틈새에 잔류 전해액에 의한 영향 없이 밀봉할 수 있었다.

Claims (8)

  1. 전지 외장재 내부에 전지 조립체를 삽입하는 단계;
    상기 전지 외장재 내부에 전해액을 주입하는 단계;
    상기 전지 외장재의 개구에 전극이 구비된 전지 외장캡을 배치하는 단계; 및
    상기 전지 외장캡을 원형궤도로 용접하여 밀봉하는 단계;를 포함하는 이차 전지 제조 방법으로,
    상기 밀봉하는 단계는 상기 전지 외장캡에 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 형성하는 단계; 및 상기 용접궤도 시작부로부터 원형궤도를 따라 용접하는 단계;를 포함하는 것인 이차 전지 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밀봉하는 단계는 레이저 용접을 이용한 것인 이차 전지 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접궤도 시작부를 형성하는 단계 이후, 상기 전지 외장캡의 용접궤도 시작부의 주변 온도가 50 ℃ 이상 2000 ℃ 이하가 되는 것인 이차 전지 제조 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 용접의 레이저 파장 범위는 100 nm 이상 1500 nm 이하인 것인 이차 전지 제조 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 용접의 레이저의 에너지는 0.01 J 이상 150 J 이하인 것인 이차 전지 제조 방법.
  6. 전지 조립체가 삽입된 전지 외장재;
    상기 전지 외장재의 개구에 구비된 전지 외장캡; 및
    상기 전지 외장재와 상기 전지 외장캡을 밀봉하는 용접부;를 포함하는 이차 전지로,
    상기 전지 외장캡은 원형이며, 상기 용접부는 상기 전지 외장캡의 원형 궤도를 따라 용접된 형태로, 상기 용접부의 시작부는 스팟 형태 또는 꼬리 형태의 용접궤도 시작부를 포함하는 것인 이차 전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 스팟 형태의 용접궤도 시작부의 크기는 1 μm 이상 1000 μm 이하인 것인 이차 전지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 꼬리 형태의 용접궤도 시작부의 크기는 1 μm 이상 1000 μm 이하인 것인 이차 전지.
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