WO2015002497A1 - 전해액 주액방법 - Google Patents

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WO2015002497A1 PCT/KR2014/006006 KR2014006006W WO2015002497A1 WO 2015002497 A1 WO2015002497 A1 WO 2015002497A1 KR 2014006006 W KR2014006006 W KR 2014006006W WO 2015002497 A1 WO2015002497 A1 WO 2015002497A1
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heating
electrolyte
electrolyte solution
heated
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이동섭
박신영
윤항섭
김현석
김정수
남상봉
문준호
이향목
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to an electrolyte solution pouring method, and more particularly to an electrolyte solution pouring method capable of improving the impregnation of an electrolyte solution without directly heating the electrolyte solution.
  • a battery is a device in which an anode and a cathode react with each other electrochemically to produce electricity.
  • a battery eg, a lithium ion secondary battery
  • Such a battery may be classified into a stack type structure, a wound type (jelly roll type) structure, or a stack / fold type structure according to the structure of the electrode assembly.
  • the anode, the separator, and the cathode are cut to a predetermined size, and then stacked in this order to form an electrode assembly.
  • the separator is disposed between the anode and the cathode.
  • the anode, the separator, the cathode, and the separator are formed in a sheet shape, and then stacked and wound in this order to form an electrode assembly.
  • a stack / foldable structure first, a full cell or bicell is formed, and then they are wound through a separator sheet to form an electrode assembly.
  • a full cell or bicell can be formed.
  • Full cell or bicells each include one or more anodes, separators, and cathodes.
  • the present invention has been made to solve the above problems, the problem of the present invention is to provide an electrolyte solution injection method that can improve the impregnation of the electrolyte solution without directly heating the electrolyte solution.
  • the electrolyte solution pouring method includes a heating step of heating a case in which the electrode assembly is housed, and a pouring step of pouring the electrolyte solution into the case after the heating step.
  • the heating step may heat the case through high frequency induction heating using a coil.
  • the coil may spirally surround the outside of the case along the length direction of the case.
  • the electrolyte injection method according to the present invention performs the injection step of injecting the electrolyte solution into the case after the heating step of heating the case, it is possible to minimize the volatilization or odor while improving the impregnation of the electrolyte solution. It works.
  • the electrolyte injection method according to the present invention because the case is heated through high frequency induction heating can be heated quickly and effectively, there is an effect that the productivity (mass productivity) of the battery is also excellent.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an apparatus for heating a case for applying an electrolyte solution injection method according to an embodiment of the present invention
  • the present invention relates to an electrolyte solution pouring method that can be applied to the manufacture of a battery such as a lithium ion battery to improve the impregnation of the electrolyte solution.
  • Batteries such as secondary batteries are generally manufactured according to the following process. For reference, the following description may vary depending on the type of battery.
  • a process of manufacturing the electrode assembly is performed.
  • the electrode assembly has a structure in which the anode and the cathode face each other with the separator interposed therebetween.
  • Such an electrode assembly may be classified into a stack type, a wound type (jelly roll type), a stack / fold type, and the like according to a structure.
  • the method of manufacturing the electrode assembly varies slightly depending on such a structure.
  • the case accommodating the electrode assembly may be classified into a square shape, a coin shape, a cylindrical shape, and a pouch type according to a shape.
  • the method of accommodating the electrode assembly in the case varies slightly depending on such a form. (The specific details are obvious to the person skilled in the art, and thus are not described in detail here.)
  • a process of pouring the electrolyte into the case is performed. Subsequently, an aging process, a formation process, a degassing process, a sealing process, and the like are performed.
  • the most basic feature of the pouring method according to the present embodiment is not to directly heat the electrolyte, but to heat the case before pouring the electrolyte. That is, the pouring method according to the present embodiment has a basic feature in that the pouring step of pouring the electrolyte into the case is performed after the heating step of heating the case.
  • the case is first heated (in which case an electrode assembly such as a jellyroll in the case can also be heated together) and the electrolyte is injected into the case, the case (or case and electrode assembly) may gradually lose temperature.
  • the electrolyte will receive heat from the case (or case and electrode assembly) and gradually increase in temperature.
  • the electrolyte can be indirectly heated through the heated case (or the case and the electrode assembly), thereby improving the impregnation of the electrolyte while minimizing the volatilization and the bad smell.
  • High frequency induction heating refers to a method of heating a to-be-heated object by placing a to-be-heated object in the coil and flowing a high-frequency alternating current through the coil.
  • the coil is preferably spirally wrapped around the outside of the case along the length direction of the case. This is because when the coil surrounds the case, the case can be heated uniformly as a whole.
  • the case is formed in a cylindrical shape, it is possible to heat the case more uniformly through the spiral coil. That is, as shown in FIG. 1, when the cylindrical case 110 is wrapped with the spiral coil 120 along the longitudinal direction (up and down direction with reference to FIG. 1), the coil 120 is formed from the case 110. Since the distance to) can be kept substantially uniform, the case 110 can be heated very uniformly.
  • the case is uniformly heated, it is also advantageous to increase the temperature inside the case.
  • the temperature rise inside the case is very important because the electrolyte solution is indirectly heated inside the case.
  • the coil 120 is connected to the control unit 130 to control the operation. Operation conditions to be described below are also controlled by the controller 130.
  • the pouring method according to the present embodiment includes a heating step and a pouring step as described above.
  • the pouring method according to the present embodiment may further include a sealing step of sealing a part of the case or other steps as necessary.
  • the internal temperature of the case or the electrode assembly in the case
  • 40 ⁇ 50 °C it is preferable to increase the internal temperature of the case (or the electrode assembly in the case) to 40 ⁇ 50 °C through high frequency induction heating. If the internal temperature of the case is lower than 40 °C is not preferable because the efficiency of lowering the viscosity of the electrolyte is reduced, and if the internal temperature of the case is higher than 50 °C it is not preferable because the separation membrane or the tape of the electrode assembly shrinks or deforms.
  • the high frequency induction heating is a method of heating the object by the eddy current generated in the object. Therefore, it is difficult to directly heat the inside of the case through high frequency induction heating. That is, when the case is heated through high frequency induction heating, first, the body of the case is directly heated, and then the inside of the case is heated by heat transfer. Therefore, even if the internal temperature of the case is the same, the external temperature of the case may appear differently depending on the case.
  • the case it is preferable to heat the case for 5 to 10 seconds through high frequency induction heating.
  • the case can be heated quickly.
  • a large temperature difference occurs between the inside and the outside of the case.
  • induction heating at low output conditions does not cause a large temperature difference between the inside and the outside of the case, so there is little room for safety problems.
  • the case has to be heated for a long time, there is a possibility that the problem of the process speed is slow.

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Abstract

본 발명에 따른 전해액 주액방법은, 전극 조립체가 수납된 케이스를 가열하는 가열 단계, 및 가열 단계 이후에 케이스에 전해액을 주액하는 주액 단계를 포함한다. 이때 가열 단계는 코일을 이용한 고주파 유도가열을 통해 케이스를 가열할 수 있다. 그리고 코일은 케이스의 길이 방향을 따라 나선형으로 케이스의 외부를 감쌀 수 있다.

Description

전해액 주액방법
본 발명은 전해액 주액방법에 관한 것으로서, 전해액을 직접 가열하지 않으면서도 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있는 전해액 주액방법에 관한 것이다.
전지는 양극과 음극이 서로 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 디바이스를 말한다. 이와 같은 전지(예를 들어, 리튬이온 이차전지)는 전극 조립체의 구조에 따라 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조 또는 스택/폴딩형 구조 등으로 분류될 수 있다.
스택형 구조의 경우 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하여 전극 조립체를 형성한다. 이때 분리막은 양극과 음극의 사이마다 배치된다. 권취형 구조의 경우 양극, 분리막, 음극, 분리막을 시트 형상으로 형성한 다음에 이들을 차례로 적층하고 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 스택/폴딩형 구조의 경우 우선 풀셀 또는 바이셀을 형성한 다음에 이들을 분리막 시트를 통해 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하면, 풀셀 또는 바이셀을 형성할 수 있다. (풀셀 또는 바이셀은 각각 1개 이상의 양극, 분리막, 음극을 포함한다.)
그런데 최근 전지의 용량이 증가함에 따라 전지에 주액되는 전해액도 그 용량이나 점도가 점차적으로 증가하는 추세이다. 그러나 이와 같이 전해액의 용량이나 점도가 증가하면, 전해액의 함침성(주액성)이 저하되어 전해액의 함침에 많은 시간이 소요된다는 문제가 발생한다. 이는 전지의 생산성(양산성)을 저하시키는 요인으로 작용할 수밖에 없다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 전해액을 직접 가열하여 전해액의 유동성을 확보하는 방안이 강구되고 있으나, 전해액을 직접 가열하면 전해액의 휘발이 발생한다는 문제와 이와 같은 휘발에 따라 악취가 발생한다는 문제가 초래되기 때문에 바람직하지 않다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 전해액을 직접 가열하지 않으면서도 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있는 전해액 주액방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전해액 주액방법은, 전극 조립체가 수납된 케이스를 가열하는 가열 단계, 및 가열 단계 이후에 케이스에 전해액을 주액하는 주액 단계를 포함한다. 이때 가열 단계는 코일을 이용한 고주파 유도가열을 통해 케이스를 가열할 수 있다. 그리고 코일은 케이스의 길이 방향을 따라 나선형으로 케이스의 외부를 감쌀 수 있다.
본 발명에 따른 전해액 주액방법은, 케이스를 가열하는 가열 단계를 수행한 다음에 케이스에 전해액을 주액하는 주액 단계를 수행하기 때문에, 휘발이나 악취를 최소화할 수 있으면서도 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 전해액 주액방법은, 고주파 유도가열을 통해 케이스를 가열하기 때문에 케이스를 빠르게, 그리고 효과적으로 가열할 수 있어 전지의 생산성(양산성)도 우수하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주액방법을 적용하기 위해 케이스를 가열하는 장치를 도시하고 있는 사시도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 리튬이온 전지와 같은 전지의 제조에 적용되어 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있는 전해액 주액방법에 관한 것이다. 이차전지와 같은 전지는 일반적으로 다음과 같은 공정에 따라 제조된다. 참고로, 후술하는 내용은 전지의 종류에 따라 달라질 수 있다. 우선 전극 조립체를 제조하는 공정이 수행된다. 전극 조립체는 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 서로 마주보는 구조를 가진다. 이와 같은 전극 조립체는 구조에 따라 스택형, 권취형(젤리롤형), 스택/폴딩형 등으로 분류될 수 있다. 전극 조립체를 제조하는 방법은 이와 같은 구조에 따라 조금씩 달라진다.
다음으로 전극 조립체를 케이스에 수납하는 공정이 수행된다. 전극 조립체를 수납하는 케이스는 형태에 따라 각형, 코인형, 원통형, 파우치형 등으로 분류될 수 있다. 전극 조립체를 케이스에 수납하는 방법은 이와 같은 형태에 따라 조금씩 달라진다. (구체적인 내용은 통상의 기술자에게 자명한 것이므로 여기세 구체적으로 기술하지 않는다.) 다음으로 케이스에 전해액을 주액하는 공정이 수행된다. 이어서 에이징(aging) 공정, 포메이션(formation) 공정, 디개싱(degassing) 공정, 실링 (sealing) 공정 등이 수행된다.
그런데 전해액을 가열하면 전해액의 온도가 상승함에 따라 전해액의 점도가 하강한다. 이와 같이 전해액의 점도가 하강하면 전해액의 함침이 보다 빠르게 일어난다. 전해액의 점도가 하강하면 전해액의 유동성이 향상되기 때문이다. 결국 전해액을 가열하면, 즉 전해액의 온도가 상승하면 전해액의 함침성(주액성)이 향상된다. 그러나 전해액을 직접 가열하는 것은 바람직하지 않다. 전해액을 직접 가열하면 전해액의 휘발이 발생한다는 문제와 이와 같은 휘발에 따라 악취가 발생한다는 문제가 초래되기 때문이다.
이와 같은 문제를 초래하지 않으면서도 전해액의 함침성을 향상시키기 위해 전해액을 직접 가열하는 것이 아니라, 전해액을 주액하기 전에 케이스를 가열하는 것이 본 실시예에 따른 주액방법의 가장 기본적인 특징이다. 즉, 본 실시예에 따른 주액방법은 케이스를 가열하는 가열 단계를 수행한 다음에, 케이스에 전해액을 주액하는 주액 단계를 수행한다는 점에 기본적인 특징이 있다.
보다 구체적으로 먼저 케이스를 가열한 다음에 (이때, 케이스 내의 젤리롤과 같은 전극 조립체도 함께 가열될 수 있다) 케이스에 전해액을 주액하면, 케이스(또는 케이스와 전극 조립체)는 점차적으로 온도가 하강할 것이고, 전해액은 케이스(또는 케이스와 전극 조립체)로부터 열을 전달받아 점차적으로 온도가 상승할 것이다. 이와 같이 전해액을 주액하면, 가열된 케이스(또는 케이스와 전극 조립체)를 통해 간접적으로 전해액을 가열할 수 있기 때문에, 휘발이나 악취를 최소화할 수 있으면서도 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있다.
참고로, 케이스를 가열하면서 동시에 케이스에 전해액을 주액하는 경우를 상정해 볼 수 있다. 그러나 이와 같은 경우 전해액을 주액하는 설비와 케이스를 가열하는 설비를 결합시켜야 하기 때문에 해당 설비가 굉장히 복잡해진다는 단점이 있다. 이는 설비의 제조 단가를 상승시키는 요인으로 작용하여 결과적으로 전지의 제조 단가를 상승시킬 수 있다.
그런데 케이스를 너무 오래 가열하면 전지를 생산하는 공정도 길어진다는 문제가 발생한다. 즉, 케이스를 너무 오래 가열하면 전지의 생산성(양산성)이 떨어진다는 문제가 발생한다. 따라서 케이스를 빠르게, 그리고 효과적으로 가열할 필요가 있다. 이와 같은 필요를 충족시키기 위해 고주파 유도가열을 통해 케이스를 가열하는 것이 바람직하다. 고주파 유도가열은 코일의 내부에 피열물(被熱物)을 두고 코일에 고주파 교류전류를 흘려 피열물을 가열하는 방식을 말한다.
이때 코일은 케이스의 길이 방향을 따라 나선형으로 케이스의 외부를 감싸는 것이 바람직하다. 이와 같이 코일이 케이스를 감싸면 케이스를 전체적으로 균일하게 가열할 수 있기 때문이다. 특히, 케이스가 원통 형상으로 형성되는 경우 나선형의 코일을 통해 보다 균일하게 케이스를 가열할 수 있다. 즉, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 원통 형상의 케이스(110)를 길이 방향(도 1을 기준으로 상하 방향)을 따라 나선 형상의 코일(120)로 감싸면, 케이스(110)로부터 코일(120)까지의 거리를 대체로 균일하게 유지할 수 있기 때문에, 케이스(110)를 매우 균일하게 가열할 수 있다.
또한 이와 같이 균일하게 케이스를 가열하면 케이스 내부의 온도 상승에도 유리하다. 전해액은 결과적으로 케이스 내부에서 간접적으로 가열되는 것이기 때문에 케이스 내부의 온도 상승은 매우 중요하다. 참고로, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 코일(120)은 제어부(130)에 연결되어 작동이 제어된다. 이하에서 설명할 작동 조건도 제어부(130)에 의해 조절된다.
본 실시예에 따른 주액방법은 앞서 살펴본 바와 같이 가열 단계 및 주액 단계를 포함한다. 그러나 본 실시예에 따른 주액방법은 필요에 따라 케이스의 일부를 실링하는 실링 단계, 또는 그 밖의 단계들을 더 포함할 수도 있다.
이하에서 고주파 유도가열을 통해 케이스를 가열하는 바람직한 조건에 대해 보다 자세히 살펴본다.
첫째로, 고주파 유도가열을 통해 케이스(또는 케이스 내의 전극 조립체)의 내부 온도를 40~50 ℃로 승온시키는 것이 바람직하다. 케이스의 내부 온도가 40 ℃ 보다 낮으면 전해액의 점도가 낮아지는 효율이 감소하기 때문에 바람직하지 않고, 케이스의 내부 온도가 50 ℃ 보다 높으면 전극 조립체의 분리막이나 테이프들이 수축되거나 변형되기 때문에 바람직하지 않다.
참고로, 고주파 유도가열은 피열물에 발생하는 와전류에 의해 피열물을 가열하는 방식이다. 따라서 고주파 유도가열을 통해 케이스의 내부를 직접적으로 가열하기는 어렵다. 즉, 케이스를 고주파 유도가열을 통해 가열하면, 우선 케이스의 몸체가 직접적으로 가열된 다음에, 열전달을 통해 케이스의 내부가 가열된다. 따라서 케이스의 내부 온도가 동일하더라도 케이스의 외부 온도는 케이스에 따라 다르게 나타날 수 있다.
둘째로, 고주파 유도가열을 통해 5~10 초 동안 케이스를 가열하는 것이 바람직하다. 높은 출력 조건에서 고주파 유도가열을 행하면, 케이스를 빠르게 가열할 수 있다. 그런데 이와 같이 케이스를 가열하면, 케이스의 내부와 외부 사이에서 온도 차이가 크게 발생한다. 그러나 이와 같이 온도 차이가 크게 발생하면, 케이스의 내부에 비해 케이스의 외부가 매우 높은 온도를 가지게 되므로, 안전상의 문제가 발생할 여지가 있다. 이에 반해 낮은 출력 조건에서 유도가열을 행하면, 케이스의 내부와 외부 사이에서 온도 차이가 크게 발생하지는 않기 때문에, 안전상의 문제가 발생할 여지는 적다. 그러나 이와 같이 케이스를 가열하려면, 케이스를 오랫동안 가열하여야 하기 때문에, 공정 속도가 늦어지는 문제가 발생할 여지가 있다.
따라서 안전상의 문제가 발생하지 않으면서도 공정 속도가 늦어지지 않는 범위 내에서 고주파 유도가열을 행하는 것이 바람직하다. 이에 고주파 유도가열을 통해 5~10 초 동안 케이스를 가열하는 것이 매우 바람직하다. 또한 이와 같은 시간 동안 케이스를 가열하여 원하는 온도를 얻을 수 있도록 고주파 유도가열의 작동 주파수 등을 최적화하는 것도 바람직하다.

Claims (6)

  1. 전극 조립체가 수납된 케이스를 가열하는 가열 단계; 및
    상기 가열 단계 이후에 상기 케이스에 전해액을 주액하는 주액 단계를 포함하는 전해액 주액방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 단계는 코일을 이용한 고주파 유도가열을 통해 상기 케이스를 가열하는 것을 특징으로 하는 전해액 주액방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 코일은 상기 케이스의 길이 방향을 따라 나선형으로 상기 케이스의 외부를 감싸는 것을 특징으로 하는 전해액 주액방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 케이스는 원통 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해액 주액방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 가열 단계는 상기 고주파 유도가열을 통해 상기 케이스의 내부 온도를 40~50 ℃로 승온시키는 것을 특징으로 하는 전해액 주액방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 가열 단계는 5~10 초 동안 상기 케이스를 가열하는 것을 특징으로 하는 전해액 주액방법.
PCT/KR2014/006006 2013-07-04 2014-07-04 전해액 주액방법 WO2015002497A1 (ko)

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