KR20230125553A - 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치 - Google Patents

전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일 실시예로서, 내부에 전지 셀(cell)이 배치되는 케이스; 및 상기 케이스의 내부를 채우며, 상기 전지 셀을 가압하는 유체; 를 포함하며, 상기 케이스는 상기 전지 셀을 충방전기와 연결하여 상기 전지 셀에 전류를 인가하는 전도성 부재가 통과하는 홀을 포함하는 것인, 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치를 제공한다.

Description

전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치 {BATTERY CELL PRESSING DEVICE AND BATTERY CELL CHARGING AND DISCHARGING DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 개시는 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라, 재충전이 가능한 이차 전지는 다양한 모바일 기기의 에너지원으로서 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차 전지는 기존의 가솔린 차량이나 디젤 차량의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 에너지원으로서 또한 주목받고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류된다. 이 중 파우치형 전지는 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있어 많은 관심을 모으고 있다.
파우치형 전지는 일반적으로 전지를 조립하는 공정 이후에 전지 셀을 활성화하는 공정을 거쳐 제조된다. 일반적으로 활성화 공정은 전지 셀을 지그로 가압하고, 전지 셀에 소정의 전압까지 전류를 인가하여 충전하고 방전하시키는 과정을 포함한다. 첫 사이클 시 양극 활물질의 활성화 및 음극에서의 안정적인 표면막(SEI, Solid Electrolyte Interface) 생성을 위해서는 이러한 활성화 공정이 필수적으로 수반되어야 한다.
이러한 활성화 공정에서는 전지 셀 내부에 다량의 가스가 발생하게 되는데, 전지 셀 내부에서 발생한 가스가 효율적으로 제거되지 않으면 파우치 외장재의 중앙 부위가 부풀어 오르면서 전지의 변형을 유발하고 용량 및 출력 등의 전지 성능 저하를 야기할 뿐 아니라 전지 수명에도 악영향을 미치게 된다.
대한민국 공개특허 제10-2019-0072289호 (2019.06.25)
본 발명의 목적 중 하나는 전지 셀을 등방 가압할 수 있는 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중 다른 하나는 가압으로 인한 전지 셀의 파손 및 이로 인한 쇼트 불량을 방지할 수 있는 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중 또 다른 하나는 활성화 공정으로 인한 전지 셀의 성능 및 수명 저하를 방지할 수 있는 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 일 실시예로서, 내부에 전지 셀(cell)이 배치되는 케이스; 및 상기 케이스의 내부를 채우며, 상기 전지 셀을 가압하는 유체; 를 포함하며, 상기 케이스는 상기 전지 셀을 충방전기와 연결하여 상기 전지 셀에 전류를 인가하는 전도성 부재가 통과하는 홀을 포함하는 것인, 전지 셀 가압 장치를 제공한다.
본 발명은 다른 일 실시예로서, 상기 전지 셀 가압 장치 및 상기 전지 셀 가압 장치로 가압되는 전지 셀을 충방전하는 충방전기; 를 포함하는, 전지 셀 충방전 장치를 제공한다.
본 발명의 효과 중 하나로서, 전지 셀을 등방 가압할 수 있는 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 목적 중 다른 하나로서, 가압으로 인한 전지 셀의 파손 및 이로 인한 쇼트 불량을 방지할 수 있는 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 목적 중 또 다른 하나로서, 활성화 공정으로 인한 전지 셀의 성능 및 수명 저하를 방지할 수 있는 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 셀 가압 장치의 사시도를 나타낸다.
도 2는 종래의 전지 셀 가압 장치로 가압되는 전지 셀의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치의 사시도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치로 가압되는 전지 셀의 단면도를 나타낸다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에는 설명의 편의를 위해 구성의 전부 또는 일부가 과장되게 표현되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명이 첨부된 도면이나 본 명세서에서 설명된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양한 형태로 구현될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.
도 1은 종래의 전지 셀 가압 장치의 사시도를 나타낸다.
도 2는 종래의 전지 셀 가압 장치로 가압되는 전지 셀의 단면도를 나타낸다.
활성화 공정에서, 지그(211, 212)를 포함하는 전지 셀 가압 장치(210)로 전지 셀(10)을 가압하는 경우가 있다. 구체적으로, 전지 셀 가압 장치(210)의 서로 마주하여 배치된 지그(211, 212) 사이에 전지 셀(10)을 배치하고, 전지 셀(10)의 양면을 가압하는 경우가 있다. 예컨대, 특허문헌 1은 판상으로 구성되어 상호 대향하면서 소정 거리 이격되어 있어 이격 공간에 삽입되는 하나 이상의 파우치형 이차 전지를 가압하도록 구성된 제1 판상 부재와 제2 판상 부재를 포함하는 파우치형 이차전지의 충방전용 가압 지그를 개시한다.
전지 셀 가압장치로 가압되는 전지 셀(10)은 양극(11), 음극(12) 및 고체전해질(13)을 포함할 수 있다. 또한, 각각 양극(11) 및 음극(12) 각각과 연결된 양극 리드(14) 및 음극 리드(15)를 더 포함할 수 있다.
전지 셀(10)은 파우치(16)에 전지 셀(10)은 양극(11), 음극(12) 및 고체전해질(13)이 내장되고, 리드(14, 15)의 일부가 파우치(16)의 외부로 노출되는 파우치형 전지 셀일 수 있다. 파우치형 전지 셀(10)은 양극(11) 및 음극(12) 사이에 고체전해질(13)을 배치하고, 냉간 등방 가압(CIP; Cold Isostatic Press) 또는 열간 등방 가압((WIP; Warm Isostatic Press)하여 층간 접합한 다음, 양극 리드(14) 및 음극 리드(15)를 부착하여 형성한 전극 조립체를 파우치(16)에 수납하고 밀봉함으로써 제조할 수 있다.
한편, 전지 셀(10)의 양극(11)의 크기, 음극(12)의 크기 및 고체전해질(13)의 크기 중 적어도 둘은 서로 상이할 수 있다. 예컨대, 양극(11)의 크기는 음극(12)의 크기 및 고체전해질(13)의 크기 각각보다 작을 수 있다. 여기서, 크기는 길이 방향(L)으로의 길이 및 폭 방향(W)으로의 길이 중 적어도 하나를 의미할 수 있다.
전지 셀(10)이 종래의 전지 셀 가압 장치(210)로 일축 가압되는 경우, 양극(11), 음극(12) 및 고체전해질(13)의 크기 차이로 인해, 전지 셀의 크랙(cracke) 등의 파손 및 이로 인한 쇼트 불량이 발생할 수 있다. 예컨대, 양극(11)의 크기가 고체전해질(13)의 크기보다 작은 경우 양극(11)과 접하는 고체전해질(13)에 크랙이 발생할 수 있으며, 이로 인해 양극(11) 및 음극(12)이 서로 맞닿거나 충방전 시 리튬 석출이 일어나 쇼트 불량이 발생할 수 있다. 이는 전지 셀의 성능 및 수명 저하로 이어질 수 있다. 최근 고체전해질(13)은 30㎛ 이하로 박막화 되고 있는 추세이며, 이러한 박막 고체전해질(13)을 포함하는 전지 셀(10)에서는 전술한 문제들이 발생할 가능성이 더욱 높아진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치 및 이를 포함하는 전지 셀 충방전 장치의 사시도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치로 가압되는 전지 셀의 단면도를 나타낸다.
도면을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 충방전 장치(100)는 전지 셀 가압 장치(110) 및 전지 셀 가압 장치(110)로 가압되는 전지 셀(10)을 충방전하는 충방전기(120)를 포함한다. 또한, 전지 셀(10)을 충방전기(120)와 연결하여 전지 셀(10)에 전류를 인가하는 도전성 부재(130)를 더 포함할 수 있다.
전지 셀 가압 장치(110)는 내부에 전지 셀(10)이 배치되는 케이스(111) 및 케이스(111)의 내부를 채우며 전지 셀(10)을 가압하는 유체(112)를 포함한다.
케이스(111)의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 직사각형의 형상을 가질 수 있다. 케이스(111)는 유체(112)의 압력에 의해 변형되지 않는 내압성을 가질 수 있다. 예컨대, 케이스(111)는 수 내지 수십 MPa 이하, 예컨대 20 MPa, 15 MPA 또는 10 MPa 이하에서 변형되지 않을 수 있다. 보다 구체적으로, 케이스(111)는 유체(112)에 의해 3 MPa 이상 10 MPa 이하, 4 MPa 이상 8 MPa 이하, 5 MPa 이상 6 MPa 이하의 압력으로 가압 될 수 있으며, 상기 압력 범위에서 변형되지 않을 수 있다. 또한, 케이스(111)는 유체(112)의 침투를 방지하기 위한 내수성을 가질 수 있다. 이러한 관점에서, 케이스(111)의 형성 재료로는 알루미늄(Al), 스테인리스강(SUS), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu) 등의 금속 또는 이들 중 둘 이상의 합금을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
케이스(111)는 전지 셀(10)을 충방전기(120)와 연결하여 전지 셀(10)에 전류를 인가하는 도전성 부재(130)가 통과하는 홀(113)을 포함할 수 있다. 홀(113)은 각각 양극 리드(14) 및 음극 리드(15) 각각에 연결되는 복수의 도전성 부재(130) 각각이 통과하는 복수의 홀(113)일 수 있다.
홀(113) 주위에는 케이스(111)의 내부를 채우는 유체(112)가 케이스(111)의 외부로 배출되지 않게 하기 위하여 실링(sealing) 부재(미도시)가 배치될 수 있다. 달리 말해서, 홀(113) 및 도전성 부재(130) 사이에는 실링 부재가 배치되어 유체(112)가 케이스(111)의 외부로 배출되지 않도록 할 수 있다. 홀(113)의 크기는 후술하는 주입부(114)의 크기보다 작을 수 있으나, 경우에 따라서는 주입부(114)의 크기와 동일하거나 주입부(114)의 크기보다 클 수도 있을 것이다.
또한, 케이스(111)는 유체(112)가 케이스(111)로 주입되는 경로인 주입부(114)를 더 포함할 수 있다. 주입부(114)는 케이스(111) 내부의 유체(112)의 압력에도 유체(112)가 케이스(111)의 외부로 배출되지 않는 구조를 가질 수 있다. 주입부(114)는 케이스(111)로 유체(112)의 주입을 위한 홀과 유체(112)가 주입된 후 상기 홀을 폐쇄하고 실링(sealing)하기 위한 마개를 포함할 수 있다. 다만, 주입부(114)의 구조가 이에 제한되는 것은 아니다.
유체(112)는 충방전기(120)로 전지 셀(10)을 충방전하는 활성화 공정에서 전지 셀(10)을 가압할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 전지 셀(10)의 가압 수단으로 유체(112)를 사용함으로써, 전지 셀(10)을 등방으로 균일하게 가압할 수 있다. 즉, 유체(112)는 전지 셀(10)을 등방 가압할 수 있다.
유체(112)가 전지 셀(10)을 가압하는 압력은 3 MPa 이상 10 MPa 이하, 4 MPa 이상 8 MPa 이하, 5 MPa 이상 6 MPa 이하일 수 있다. 유체(112)가 전지 셀(10)을 가압하는 압력이 3 MPa 미만인 경우, 전지 셀(10)을 충분히 가압하지 못하여, 가스로 인한 전지 셀(10)의 팽창을 야기할 수 있다. 또한, 유체(112)가 전지 셀(10)을 가압하는 압력이 10 MPa 초과인 경우, 전지 셀(10)의 물리적, 화학적 손상을 야기할 수 있다. 바람직하게는, 유체(112)가 전지 셀(10)을 가압하는 압력은 약 5 MPa일 수 있다.
유체(112)로는 유체(112) 스스로의 압력에 의해 변형되지 않는 물질을 사용할 수 있다. 유체(112)는 액체일 수 있으며, 구체적으로 오일 또는 겔의 상태일 수 있다. 다만, 설계에 따라서는 유체(112)로 기체, 유동성 고체 등을 사용할 수도 있을 것이다.
또한, 유체(112)로는 0 내지 100℃의 온도 범위에서 변형되지 않는 물질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 위 범위는 경계 값인 0℃ 및 100℃를 포함하는 의미이다. 예컨대, 유체(112)로는 상기 온도 범위에서 부피 변화가 적으며, 경화되지 않는 물질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 유체(112)로는 전지 셀(10)의 성능이나 수명에 영향을 미치지 않는 물질을 사용할 수 있으며, 절연성 물질을 사용할 수 있다.
또한, 유체(112)로는 점성을 가질 수 있는 물질을 사용할 수 있다. 예컨대, 유체(112)의 점도는 1000cP 이하, 바람직하게는 약 100cP일 수 있다. 이를 통해, 유체(112) 및 유체(112)의 압력이 전지 셀(10)의 전체 영역에 균일하게 분산될 수 있다.
충방전기(120)는 도전성 부재(130)를 통해 전지 셀(10)에 전류를 인가하여, 전지 셀(10)을 충방전함으로써 활성화시킨다. 충방전기(120)는 전지 셀(10)을 만충전한 후 에이징(aging)을 하면서 개로 전압(OCV, open circuit voltage) 불량을 검출하고, 이 후 다시 만방전하여 방전용량을 측정한 다음, 출하를 위해 용량의 50%로 충전하는 방식 등과 같은 공지된 다양한 형태의 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 활성화 공정은 0.05C ~ 1C의 전류 및 1.5V-5.0V의 전압 조건에서 진행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도전성 부재(130)는 전지 셀(10)을 충방전기(120)와 연결하여 전지 셀(10)에 전류를 인가하는 역할을 수행할 수 있다. 도전성 부재(130)는 각각 양극 리드(14) 및 음극 리드(15) 각각에 연결되는 복수의 도전성 부재(130)일 수 있다. 도전성 부재(130)의 형성 재료로는 도전성 물질을 제한없이 사용할 수 있다. 예컨대, 도전성 부재(130)는 도선일 수 있다.
한편, 전지 셀 가압장치로 가압되는 전지 셀(10)은 도 1 및 도 2에 관한 설명에서 상술한 바와 같다. 구체적으로, 전지 셀 가압장치로 가압되는 전지 셀(10)은 양극(11), 음극(12) 및 고체전해질(13)을 포함할 수 있다. 또한, 각각 양극(11) 및 음극(12) 각각과 연결된 양극 리드(14) 및 음극 리드(15)를 더 포함할 수 있다.
전지 셀(10)은 파우치(16)에 전지 셀(10)은 양극(11), 음극(12) 및 고체전해질(13)이 내장되고, 리드(14, 15)의 일부가 파우치(16)의 외부로 노출되는 파우치형 전지 셀일 수 있다. 파우치형 전지 셀(10)은 양극(11) 및 음극(12) 사이에 고체전해질(13)을 배치하고, 냉간 등방 가압(CIP; Cold Isostatic Press) 또는 열간 등방 가압((WIP; Warm Isostatic Press)하여 층간 접합한 다음, 양극 리드(14) 및 음극 리드(15)를 부착하여 형성한 전극 조립체를 파우치(16)에 수납하고 밀봉함으로써 제조할 수 있다.
한편, 전지 셀(10)의 양극(11)의 크기, 음극(12)의 크기 및 고체전해질(13)의 크기 중 적어도 둘은 서로 상이할 수 있다. 예컨대, 양극(11)의 크기는 음극(12)의 크기 및 고체전해질(13)의 크기 각각보다 작을 수 있다. 여기서, 크기는 길이 방향(L)으로의 길이 및 폭 방향(W)으로의 길이 중 적어도 하나를 의미할 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치(110)로 가압되고, 전지 셀 충방전 장치(100)로 활성화되는 전지 셀의 구조가 도면에 도시된 전지 셀(10)의 구조로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 충방전 장치(100)에 의하면, 내부에 전지 셀(10)이 배치된 케이스(111)의 주입부(114)를 통해 케이스(111)로 유체(112)가 주입되며, 주입된 유체(112)는 전지 셀(10)을 등방으로 균일하게 가압할 수 있다. 이러한 상태에서 충방전기(120)로 전지 셀(10)을 충방전하여 활성화시킬 수 있다. 따라서, 양극(11), 음극(12) 및 고체전해질(13)의 크기 차이 등으로 인해, 전지 셀의 크랙(cracke) 등의 파손 및 이로 인한 쇼트 불량이 발생하는 문제를 방지할 수 있다. 예컨대, 양극(11)의 크기가 고체전해질(13)의 크기보다 작은 경우라도 고체전해질(13)에 크랙이 발생하는 문제를 방지할 수 있으며, 이로 인해 양극(11) 및 음극(12)이 서로 맞닿거나 충방전 시 리튬 석출이 일어나 쇼트 불량이 발생하는 문제 역시 방지할 수 있다. 또한, 전지 셀의 크랙(cracke) 등의 파손 및 이로 인한 쇼트 불량이 발생하는 문제를 방지함으로써, 전지 셀의 성능 및 수명 저하 역시 방지할 수 있다.
이상으로, 본 발명의 일 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 실시 형태를 전술한 실시예로 제한하고자 하는 것은 아니다. 당업자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 본 명세서 및 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 전부 또는 일부 구성을 생략, 변경, 치환하거나 다른 구성을 추가하는 등 본 발명의 일 실시예를 적절히 변형하여 실시할 수 있을 것이다.
본 명세서에서, 제1, 제2 등의 순번은 구성요소를 서로 구별하기 위한 것이며, 구성요소 간의 우선순위를 의미하거나 절대적인 순번을 의미하는 것이 아니다. 본 명세서의 일부분에서 제1 구성요소는 본 명세서의 다른 부분에서 제2 구성요소로 지칭될 수도 있다.
본 명세서의 용어 및 표현은 광범위하게 해석되어야 하며 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에서, '포함'한다라는 표현은 언급된 구성 이외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, 단수형의 표현은 문맥 상 명시적으로 배제되지 않는 한 복수형을 포함한다.
본 명세서에서 예시적으로 설명된 각 실시예들은 서로 조합이 가능하며, 모순되지 않는 한 특정 실시예에서 설명된 내용은 다른 실시예에서 설명되지 않았더라도 다른 실시예에 동일하게 적용될 수 있다.
10: 전지 셀
11: 양극
12: 음극
13: 분리막
14: 양극 리드
15: 음극 리드
16: 파우치
100: 전지 셀 충방전 장치
110, 210: 전지 셀 가압 장치
111: 케이스
112: 유체
113: 홀
114: 주입구
120: 충방전기
130: 전도성 부재
211, 212: 지그

Claims (10)

  1. 내부에 전지 셀(cell)이 배치되는 케이스; 및
    상기 케이스의 내부를 채우며, 상기 전지 셀을 가압하는 유체; 를 포함하며,
    상기 케이스는 상기 전지 셀을 충방전기와 연결하여 상기 전지 셀에 전류를 인가하는 전도성 부재가 통과하는 홀을 포함하는 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 상기 충방전기로 상기 전지 셀을 충방전하는 활성화 공정에서 상기 전지 셀을 등방 가압하는 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 유체가 상기 케이스로 주입되는 경로인 주입부를 더 포함하는 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유체가 상기 전지 셀을 가압하는 압력은 3 MPa 이상 10 MPa 이하인 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 절연성 및 점성을 갖는 물질인 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 오일 또는 겔(gel)의 상태인 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 3 MPa 이상 10 MPa 이하의 압력에서 변형되지 않는 내압성을 갖는 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀은 양극, 음극 및 고체전해질을 포함하며,
    상기 양극의 크기, 상기 음극의 크기 및 상기 고체전해질의 크기 중 적어도 둘은 서로 상이한 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀은 파우치형 전지 셀인 것인,
    전지 셀 가압 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전지 셀 가압 장치; 및
    상기 전지 셀 가압 장치로 가압되는 전지 셀을 충방전하는 충방전기; 를 포함하는,
    전지 셀 충방전 장치.
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