WO2018128302A2 - 유도 가열을 이용한 전지셀 제조장치 - Google Patents

유도 가열을 이용한 전지셀 제조장치 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell manufacturing apparatus using induction heating.
  • a representative example of an electrochemical device using such electrochemical energy is a secondary battery, and its use area is gradually increasing.
  • the lithium secondary battery is also used as a power source for such electric vehicles and hybrid electric vehicles.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries, etc., which have advantages such as voltage and output stability, is high.
  • Secondary batteries are classified according to the structure of the electrode assembly having a positive electrode / membrane / cathode structure.
  • a long sheet-shaped positive electrode and negative electrode are wound with a separator interposed therein.
  • (Winding type) electrode assembly a stack (stacked type) electrode assembly in which a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator, and a positive and negative electrodes of a predetermined unit are separated through a separator
  • a stack / foldable electrode assembly having a structure in which bi-cell or full cells are stacked.
  • a pouch-type battery having a structure in which a stack type or a stack / fold type electrode assembly is incorporated in a pouch type battery case of an aluminum laminate sheet has attracted much attention due to its low manufacturing cost, low weight, and easy shape deformation. Its usage is also gradually increasing.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a general structure of a conventional representative pouch-type battery cell.
  • the pouch-type battery cell 10 may include two stacked electrode assemblies 20 in which a plurality of electrode tabs 21 and 22 protrude, and two electrode tabs 21 and 22 respectively connected to the electrode tabs 21 and 22. And a battery case 40 having a structure for accommodating and sealing the stacked electrode assembly 20 so that the electrode leads 30 and 31 and a part of the electrode leads 30 and 31 are exposed to the outside. .
  • the battery case 40 includes a lower case 42 including a recess 41 having a concave shape in which the stacked electrode assembly 20 can be seated, and a stacked electrode assembly as a cover of the lower case 42. It consists of an upper case 43 which seals 20. The upper case 43 and the lower case 42 are heat-sealed and sealed to the outer circumferential surface of the battery case 40 in a state where the stacked electrode assembly 20 is embedded.
  • Figure 2 is a schematic plan view showing the formation of the sealing excess of the pouch-type battery cell using a typical representative battery cell manufacturing apparatus.
  • the apparatus 60 for manufacturing the pouch-type battery cell 10 includes a sealing mechanism 61 for performing a sealing process of one side portion 46 of an outer circumferential portion of the pouch-type case 40 and The sealing mechanism 62 for separately performing the sealing process of the upper end 47 was provided.
  • the sealing process of the pouch-type case 40 since the thermal conductivity is easily generated by interposing the electrode terminal 31 of the metal material formed on the upper end of the case, one side portion 46 in which the electrode terminal 31 is not formed. It takes more time to heat the upper end 47 of the pouch-type case 40 compared to the sealing process of), the sealing process of one side 46 and the sealing process of the upper end 47 as a heating element There was a problem that could not be carried out at the same time. Accordingly, the sealing process of the pouch-type case was divided into two stages, and there was a problem in that the manufacturing cost was increased due to the delay of equipment cost and manufacturing time.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the battery cell manufacturing apparatus of the present invention has a surplus of the outer periphery of the pouch-type case due to the magnetic field generated in the induction heating coil.
  • induction heating to a temperature capable of thermal fusion for forming a part, it was confirmed that the sealing process time of the pouch-type case is effectively shortened, and the present invention was completed.
  • a battery cell manufacturing apparatus for forming a sealing surplus by heat-sealing the outer periphery of the pouch type case using induction heating
  • At least one induction heating formed by winding an electric conductor at least once at a position corresponding to the outer periphery so as to generate an induction current at the periphery of the pouch type case in which the sealing surplus is to be formed coil;
  • a power supply unit for supplying an alternating current to the induction heating coil
  • At least two crimping members for crimping the outer periphery of the pouch-shaped case in which the sealing surplus is to be formed on both sides;
  • the outer periphery of the pouch type case is characterized in that the induction heating to a temperature capable of heat fusion for forming a sealing excess.
  • the induction heating also referred to as a radio heater
  • a metal conductor to be the object in the coil by placing a metal conductor to be the object in the coil, and when an alternating current flows through the coil, a eddy current is generated in the metal conductor, which is the object to be heated, and the metal conductor is lost due to the loss of the generated eddy current. Is using the principle of self-heating.
  • the battery cell manufacturing apparatus by the magnetic field generated in the induction heating coil, by induction heating to a temperature capable of heat fusion for forming the outer periphery of the pouch-type sealing excess, two steps in the prior art Unlike the sealing process of the pouch type case, which has been divided into two parts, the sealing process of one side of the pouch type case and the sealing process of the upper end and the lower end of the pouch type case can be simultaneously heated and compressed to seal the bar. It is effective.
  • the battery cell manufacturing apparatus of the present invention by using the induction heating principle, it is possible to heat the outer side of the pouch-type case as a whole, it is to perform the sealing process of one side and the sealing process of the upper end to the lower end at the same time It is possible.
  • the pouch type case may include a first resin layer, which is a heat sealable inner layer, a material barrier metal layer, and a second resin layer, which is an outer layer, from the inside of the battery cell to the outside direction. have.
  • the magnetic field generated by the induction heating coils may generate an induction current in the metal layer of the pouch type case to heat the outer periphery of the pouch type case.
  • the metal layer may be aluminum or an aluminum alloy.
  • the temperature at which the heat fusion is possible may be a temperature at which the first resin layer of the pouch type case is melted, and specifically, the temperature at which the first resin layer is melted may be 150 degrees Celsius to 250 degrees Celsius. have.
  • the first resin layer may be at least one selected from the group consisting of polyethylene (PE), polypropylene (PP), PE-PP copolymer, and PE-PP blending resin
  • the layer may be at least one selected from the group consisting of polyethylene terephthalate (PET), tetron-based resin, vinylon-based resin, and nylon-based resin.
  • the induction heating coil may be in a plane of ' ⁇ ', and the induction heating coils may include a first induction heating coil and a second induction heating coil, the first induction heating coil and The second induction heating coil may have a structure that is respectively positioned above and below the battery cell with respect to the ground.
  • the first induction heating coil and the second induction heating coil may have the same number of turns of the electric conductor in order to reduce the difference in the intensity of the magnetic field generated in each of the first induction heating coil and the second induction heating coil.
  • the magnitude and direction of the alternating current flowing through each of the first induction heating coil and the second induction heating coil may be set to be the same.
  • the wound shape of the induction heating coil may be a size corresponding to the outer periphery of the pouch type case, and the induction heating coil may be a position corresponding to the outer periphery of the pouch type case in which a sealing surplus is to be formed. It may be a structure that is spaced apart from the pouch-type case.
  • the induction heating coil may be supplied with a high frequency alternating current of 40 Hz or more and 100 Hz or less, and specifically, the induction current generated by the high frequency alternating current flowing in the induction heating coil is based on the total induction current. 50% or more can be set to flow around the outside of the pouch type case.
  • the pressing member may be an electrical insulator, and in detail, the pressing member may have a 'c' shape in plan view, and the pressing members may be a top surface and a bottom surface of the pouch type case based on the ground. It may be formed into a structure facing each other.
  • the present invention also provides a method for manufacturing a battery cell using the battery cell manufacturing apparatus.
  • the thermal fusion temperature may be 150 degrees Celsius to 250 degrees Celsius.
  • the induction heating coil may be supplied with a high frequency alternating current of 40 Hz or more and 100 Hz or less.
  • the battery cell may be a lithium secondary battery having high energy density, discharge voltage, and output stability.
  • Other components of the lithium secondary battery according to the present invention will be described in detail below.
  • a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte, and the like.
  • the positive electrode may be prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder onto a positive electrode current collector, followed by drying. If necessary, a filler may be further added to the mixture.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 20 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a negative electrode active material, a conductive material, and a binder on a negative electrode current collector, followed by drying, and optionally, a filler may be further added to the mixture.
  • the negative electrode active material may be at least one selected from the group consisting of graphite carbon, coke carbon and hard carbon.
  • the battery cell manufacturing apparatus when induction heating to a temperature that can be heat-sealed to form a sealing excess of the outer periphery of the pouch-type case by the magnetic field generated in the induction heating coil, Unlike the sealing process of the pouch type case, which has been divided into two stages in the technology, the sealing process of one side of the outer periphery of the pouch type case and the sealing process of the upper end and the lower end of the pouch case can be heated and compressed at the same time. It has the effect of shortening the time.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a general structure of a typical representative pouch type secondary battery
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing the formation of a sealing excess of a pouch-type battery cell using a conventional representative battery cell manufacturing apparatus
  • FIG. 3 is a schematic perspective view showing a state before performing a sealing process of a battery cell according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a schematic exploded perspective view showing the cradle and the pressing members of the battery cell and the battery cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic exploded perspective view showing a battery cell and a battery cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a schematic perspective view showing a cross-sectional view and a partially enlarged view of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a schematic perspective view showing a state before performing a sealing process of a battery cell according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a battery cell and battery cell manufacturing according to an embodiment of the present invention
  • a schematic exploded perspective view showing the cradle and the pressing members of the device is shown
  • Figure 5 is a schematic exploded perspective view showing a battery cell and a battery cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell manufacturing apparatus 100 for forming the sealing excess by heat-sealing the outer periphery 212 of the pouch-type case 210 using induction heating The battery cell manufacturing apparatus 100.
  • the cradle 130 for fixedly mounting the battery cell 200 the sealing surplus is to be formed in the outer periphery 212 of the outer periphery 212 of the pouch-type case 210 to be formed, the outer periphery 212
  • Two induction heating coils 110 and 111 formed by winding the electric conductor at least once in a corresponding position, a power supply unit 140 for supplying alternating current to the induction heating coils 110 and 111, and a seal.
  • the power supply unit 140 includes connection terminals 141, 142, 143, and 144 for supplying the alternating current I to the induction heating coil 110.
  • the outer periphery 212 of the pouch-type case 210 is induction heated to a temperature at which heat fusion is possible to form a sealing excess.
  • the induction heating coil 110 is a ' ⁇ ' in the plane
  • the first induction heating coil 110 and the second induction heating coil 111 is on the top and bottom of the battery cell 200 relative to the ground. Each is located.
  • the first induction heating coil 110 and the second induction heating coil 111 has the same number of turns of the electric conductor in order to reduce the difference in the intensity of the magnetic field generated in each.
  • the magnitude and direction of the alternating current I flowing through each of the first induction heating coil 110 and the second induction heating coil 111 are set to be the same.
  • the wound shape of the induction heating coil 110 is a size corresponding to the outer periphery 212 of the pouch-type case 210
  • the induction heating coil 110 is also a pouch-type case 210 in which a sealing surplus is to be formed
  • the structure is spaced apart from the pouch case 210 at a position corresponding to the outer periphery 212.
  • a high frequency alternating current of 40 Hz or more and 100 Hz or less is supplied from the power supply unit 140 to the induction heating coil 110, and the induction current generated by the high frequency alternating current flowing in the induction heating coil 110 supplies the total induction current.
  • 50% or more of the pouch-type case 210 is set to be concentrated on the outer periphery 212.
  • the pressing member 120 is an electrical insulator, and the pressing member 120 has a 'c' shape in plan view, and the pressing members 120 and 121 have an upper surface of the pouch-type case 210 based on the ground. And a bottom surface facing each other.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view showing a cross-sectional view and a partially enlarged view of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the pouch-type case 210 may include a first resin layer 166 that is a heat sealable inner layer and a material barrier metal layer 164 from the inside of the battery cell 200 to an outside direction. ) And a second resin layer 162 which is an outer layer.
  • the magnetic field generated by the induction heating coils 110 and 111 generates an induction current in the metal layer 164 of the pouch type case 210 to heat the outer periphery 212 of the pouch type case 210.
  • the metal layer 164 is aluminum or an aluminum alloy.
  • the temperature at which the outer periphery 212 of the pouch-type case 210 can be thermally fused is a temperature at which the first resin layer 166 of the pouch-type case 210 is melted, and such a temperature is 150 degrees Celsius to 250 degrees Celsius. It is also.
  • the first resin layer 166 is polypropylene (PP), and the second resin layer 162 is made of polyethylene terephthalate (PET) resin.
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • the battery cell manufacturing apparatus when the induction heating to the temperature that can be heat-sealed to form the excess of the outer periphery of the pouch-type case by the magnetic field generated in the induction heating coil, Unlike the sealing process of the pouch type case, which has been divided into two stages in the technology, the sealing process of one side of the outer periphery of the pouch type case and the sealing process of the upper end and the lower end of the pouch case can be heated and compressed at the same time. It has the effect of shortening the time.

Abstract

본 발명은, 유도 가열을 이용하여 파우치형 케이스의 외주변을 열융착하여 밀봉 잉여부를 형성시키기 위한 전지셀 제조장치로서, 전지셀을 고정 장착하기 위한 거치대; 밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스의 외주변에 유도 전류를 생성시킬 수 있도록, 외주변에 대응하는 위치에서 전기 도선(導線)이 적어도 1회 이상 권회(捲回)되어 형성된 적어도 1개 이상의 유도 가열 코일; 상기 유도 가열 코일에 교류 전류를 공급하기 위한 전원공급부; 및 밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스의 외주변을 양측에서 압착하기 위한 적어도 2개 이상의 압착부재들; 을 포함하고, 상기 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해, 파우치형 케이스의 외주변이 밀봉 잉여부를 형성하기 위한 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치를 제공한다.

Description

유도 가열을 이용한 전지셀 제조장치
본 발명은 유도 가열을 이용한 전지셀 제조장치에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
특히, 환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 이러한 리튬 이차전지는 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로도 사용되고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 고밀도의 에너지를 협소한 공간에 저장하는 것이 필요한 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 일반적인 구조를 나타낸 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지셀(10)은, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 이러한 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
또한, 전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수용부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 이러한 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 전지케이스(40) 외주면을 열융착하여 밀봉한다.
도 2에는 종래의 대표적인 전지셀 제조장치를 이용해 파우치형 전지셀의 밀봉 잉여부를 형성하는 것을 나타낸 모식적인 평면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 종래기술의 파우치형 전지셀(10)의 제조 장치(60)는 파우치형 케이스(40)의 외주부 중 일측부(46)의 실링 공정을 실시하기 위한 실링 기구(61) 및 상단부(47)의 실링 공정을 수행하기 위한 실링 기구(62)가 별도로 구비되어 있었다.
따라서, 종래기술의 파우치형 전지셀(10)의 파우치형 케이스(40)의 실링(sealing) 공정을 실시할 경우, 파우치형 케이스(40)의 외주부 중 일측부(46)의 실링 공정과 상단부(47)의 실링 공정으로 나누어 2단계로 가열 압착하여 밀봉하였다.
그러나, 파우치형 케이스(40)의 상단 실링 공정인 경우, 케이스의 상단에는 형성된 금속 소재의 전극단자(31)가 개재되어 열전도가 쉽게 일어나므로, 전극단자(31)가 형성되지 않은 일측부(46)의 실링 공정과 비교하여 파우치형 케이스(40)의 상단부(47)를 가열하는데 더 많은 시간이 소요되므로, 일측부(46)의 실링 공정과 상단부(47)의 실링 공정을 하나의 가열 부재로 동시에 실시할 수 없는 문제가 있었다. 이에 따라, 파우치형 케이스의 실링 공정을 2단계로 나눠 진행되었고, 설비 비용 및 제조 시간의 지연으로 제조비용이 상승되는 문제가 있었다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 있는 기술 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 본 발명의 전지셀 제조장치는, 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해, 파우치형 케이스의 외주변이 밀봉 잉여부를 형성하기 위한 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열할 경우, 파우치형 케이스의 실링 공정 시간이 효과적으로 단축되는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전지셀 제조장치는,
유도 가열을 이용하여 파우치형 케이스의 외주변을 열융착하여 밀봉 잉여부를 형성시키기 위한 전지셀 제조장치로서,
전지셀을 고정 장착하기 위한 거치대;
밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스의 외주변에 유도 전류를 생성시킬 수 있도록, 외주변에 대응하는 위치에서 전기 도선(導線)이 적어도 1회 이상 권회(捲回)되어 형성된 적어도 1개 이상의 유도 가열 코일;
상기 유도 가열 코일에 교류 전류를 공급하기 위한 전원공급부; 및
밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스의 외주변을 양측에서 압착하기 위한 적어도 2개 이상의 압착부재들;
를 포함하고,
상기 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해, 파우치형 케이스의 외주변이 밀봉 잉여부를 형성하기 위한 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 유도 가열은, 라디오 히터라고도 하며, 피열물이 되는 금속 도체를 코일 내에 두고, 코일에 교류 전류를 흘리면 피열물인 금속 도체에 맴돌이 전류가 발생하며, 발생된 맴돌이 전류의 손실로 인해 금속 도체가 스스로 발열하는 원리를 사용하고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀 제조장치는, 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해, 파우치형 케이스의 외주변이 밀봉 잉여부를 형성하기 위한 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열함으로써, 종래기술에서 2단계로 나눠 진행되어 있던 파우치형 케이스의 실링 공정과 달리, 파우치형 케이스의 외주부 중 일측부의 실링 공정과 상단부과 하단부의 실링 공정을 동시에 가열 압착하여 밀봉할 수 있는 바, 실링 공정의 시간을 단축시키는 효과를 발휘한다.
다시 말해, 본 발명의 전지셀 제조장치는, 유도 가열 원리를 이용하여, 파우치형 케이스의 외부변을 전체적으로 가열하는 것이 가능한 바, 일측부의 실링 공정과 상단부 내지 하단부의 실링 공정을 동시에 수행하는 것이 가능하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 파우치형 케이스는, 전지셀의 내부로부터 외부 방향으로, 열융착성 내부층인 제 1 수지층, 물질 차단성의 금속층, 및 외부층인 제 2 수지층을 포함하고 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유도 가열 코일들에 의해 발생된 자기장이 파우치형 케이스의 금속층에 유도 전류를 발생시켜 파우치형 케이스의 외주변을 가열할 수 있다. 상세하게는, 상기 금속층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 열융착이 가능한 온도는 파우치형 케이스의 제 1 수지층이 용융되는 온도일 수 있고, 구체적으로, 상기 제 1 수지층의 용융되는 온도는 섭씨 150도 내지 섭씨 250도일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 수지층은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), PE-PP 공중합체, 및 PE-PP 블랜딩 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 상기 제 2 수지층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 테트론계 수지, 비닐론계 수지, 및 나일론계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유도 가열 코일은 평면상으로 'ㅁ'자일 수 있고, 또한, 상기 유도 가열 코일들은 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일로 이루어져 있고, 상기 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일은 지면을 기준으로 전지셀의 상부 및 하부에 각각 위치되어 있는 구조일 수 있다.
상기 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일은 각각에서 발생되는 자기장의 세기의 차이를 줄이기 위해 상기 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일은 전기 도선의 권회 횟수가 동일할 수 있다. 또한, 이를 위해 상기 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일 각각에 흐르는 교류 전류의 크기 및 방향은 서로 동일하게 설정할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유도 가열 코일의 권회 형상은 파우치형 케이스의 외주변에 대응되는 크기일 수 있고, 또한, 상기 유도 가열 코일은 밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스의 외주변에 대응되는 위치에서 파우치형 케이스로부터 이격되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유도 가열 코일에는 40Hz 이상 내지 100Hz 이하인 고주파의 교류 전류가 공급될 수 있고, 구체적으로, 상기 유도 가열 코일에 흐르는 고주파 교류 전류에 의해 발생된 유도 전류는 전체 유도 전류를 기준으로 50% 이상이 파우치형 케이스의 외주변에 집중되어 흐를 수 있도록 설정할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 압착부재는 전기 절연체일 수 있고, 상세하게는 상기 압착부재는 평면상으로 'ㄷ' 자 형상일 수 있으며, 상기 압착부재들은 지면을 기준으로 파우치형 케이스의 상면 및 하면 각각에 대면하고 있는 구조로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀 제조장치를 사용하여 전지셀을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 전지셀을 제조하는 방법은,
(a) 실링(sealing) 공정을 실시할 전지셀을 거치대에 고정 장착하는 과정;
(b) 전원공급부에서 유도 가열 코일에 교류 전류를 공급하고 상기 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해 파우치형 케이스의 외주변을 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열하는 과정; 및
(c) 적어도 2개 이상의 압착부재들을 파우치형 케이스의 외주변에 대응되는 위치에서 가압하여 열융착하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 열융착이 가능한 온도는 섭씨 150도 내지 섭씨 250도일 수 있다.
또한, 상기 유도 가열 코일에는 40Hz 이상 내지 100Hz 이하의 고주파 교류 전류를 공급할 수 있다.
상기 전지셀은 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 기타 구성 요소들에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1 + zNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2, Li1 + zNi0 . 4Mn0 . 4Co0 . 2O2 등과 같이 Li1 + zNibMncCo1 - (b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1 + xM1 - yM'yPO4 - zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다. 또한, 상기 음극 활물질은 흑연계 탄소, 코크스계 탄소 및 하드 카본으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
앞서 설명한 전지셀들의 구성들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조장치는, 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해, 파우치형 케이스의 외주변이 밀봉 잉여부를 형성하기 위한 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열할 경우, 종래기술에서 2단계로 나눠 진행되어 있던 파우치형 케이스의 실링 공정과 달리, 파우치형 케이스의 외주부 중 일측부의 실링 공정과 상단부과 하단부의 실링 공정을 동시에 가열 압착하여 밀봉할 수 있는 바, 실링 공정의 시간을 단축시키는 효과를 발휘한다.
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조를 나타낸 분해 사시도이다;
도 2는 종래의 대표적인 전지셀 제조장치를 이용해 파우치형 전지셀의 밀봉 잉여부를 형성하는 것을 나타낸 모식적인 평면도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 실링 공정을 수행하기 이전 상태를 나타낸 모식적인 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀과 전지셀 제조장치의 거치대 및 압착부재들를 나타낸 모식적인 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀과 전지셀 제조장치를 나타낸 모식적인 분해 사시도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 단면도 및 일부 확대도를 나타낸 모식적인 사시도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 실링 공정을 수행하기 이전 상태를 나타낸 모식적인 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀과 전지셀 제조장치의 거치대 및 압착부재들를 나타낸 모식적인 분해 사시도가 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀과 전지셀 제조장치를 나타낸 모식적인 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 3 내지 도 5를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 제조장치(100)는, 유도 가열을 이용하여 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)을 열융착하여 밀봉 잉여부를 형성시키기 위한 전지셀 제조장치(100)이다.
구체적으로, 전지셀(200)을 고정 장착하기 위한 거치대(130), 밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)에 유도 전류를 생성시킬 수 있도록, 외주변(212)에 대응하는 위치에서 전기 도선이 적어도 1회 이상 권회되어 형성된 2개의 유도 가열 코일들(110, 111), 이러한 유도 가열 코일들(110, 111)에 교류 전류를 공급하기 위한 전원공급부(140) 및 밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)을 양측에서 압착하기 위한 적어도 2개의 압착부재들(120, 121)을 포함하고 있다.
이때, 전원공급부(140)는 유도 가열 코일(110)에 교류 전류(I)를 공급하기 위한 접속단자들(141, 142, 143, 144)을 포함하고 있다.
또한, 유도 가열 코일(110)에 발생된 자기장에 의해, 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)이 밀봉 잉여부를 형성하기 위한 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열된다.
또한, 유도 가열 코일(110)은 평면상으로 'ㅁ'자이고, 제 1 유도 가열 코일(110) 및 제 2 유도 가열 코일(111)이 지면을 기준으로 전지셀(200)의 상부 및 하부에 각각 위치되어 있다.
여기서, 제 1 유도 가열 코일(110) 및 제 2 유도 가열 코일(111)은 각각에서 발생되는 자기장의 세기의 차이를 줄이기 위해 전기 도선의 권회 횟수가 동일하다. 또한, 이를 위해, 제 1 유도 가열 코일(110) 및 제 2 유도 가열 코일(111) 각각에 흐르는 교류 전류(I)의 크기 및 방향은 서로 동일하게 설정한다.
한편, 유도 가열 코일(110)의 권회 형상은 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)에 대응되는 크기이고, 또한, 유도 가열 코일(110)은 밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)에 대응되는 위치에서 파우치형 케이스(210)로부터 이격되어 있는 구조이다.
또, 전원공급부(140)로부터 유도 가열 코일(110)에는 40Hz 이상 내지 100Hz 이하인 고주파의 교류 전류가 공급되고, 유도 가열 코일(110)에 흐르는 고주파 교류 전류에 의해 발생된 유도 전류는 전체 유도 전류를 기준으로 50% 이상이 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)에 집중되어 흐를 수 있도록 설정한다.
여기서, 압착부재(120)는 전기 절연체이고, 이러한 압착부재(120)는 평면상으로 'ㄷ' 자 형상이며, 압착부재들(120, 121)은 지면을 기준으로 파우치형 케이스(210)의 상면 및 하면 각각에 대면하고 있는 구조로 형성되어 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 단면도 및 일부 확대도를 나타낸 모식적인 사시도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 6을 함께 참조하면, 파우치형 케이스(210)는, 전지셀(200)의 내부로부터 외부 방향으로, 열융착성 내부층인 제 1 수지층(166), 물질 차단성의 금속층(164), 및 외부층인 제 2 수지층(162)을 포함하고 있다.
따라서, 유도 가열 코일들(110, 111)에 의해 발생된 자기장이 파우치형 케이스(210)의 금속층(164)에 유도 전류를 발생시켜 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)을 가열하게 된다. 이때, 금속층(164)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이다.
또한, 파우치형 케이스(210)의 외주변(212)이 열융착이 가능한 온도는 파우치형 케이스(210)의 제 1 수지층(166)이 용융되는 온도이고, 이러한 온도는 섭씨 150도 내지 섭씨 250도이다.
이때, 제 1 수지층(166)은 폴리프로필렌(PP)이며, 제 2 수지층(162)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 수지로 이루어져 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조장치는, 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해, 파우치형 케이스의 외주변이 밀봉 잉여부를 형성하기 위한 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열할 경우, 종래기술에서 2단계로 나눠 진행되어 있던 파우치형 케이스의 실링 공정과 달리, 파우치형 케이스의 외주부 중 일측부의 실링 공정과 상단부과 하단부의 실링 공정을 동시에 가열 압착하여 밀봉할 수 있는 바, 실링 공정의 시간을 단축시키는 효과를 발휘한다.

Claims (19)

  1. 유도 가열을 이용하여 파우치형 케이스의 외주변을 열융착하여 밀봉 잉여부를 형성시키기 위한 전지셀 제조장치로서,
    전지셀을 고정 장착하기 위한 거치대;
    밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스의 외주변에 유도 전류를 생성시킬 수 있도록, 외주변에 대응하는 위치에서 전기 도선(導線)이 적어도 1회 이상 권회(捲回)되어 형성된 적어도 1개 이상의 유도 가열 코일;
    상기 유도 가열 코일에 교류 전류를 공급하기 위한 전원공급부; 및
    밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스의 외주변을 양측에서 압착하기 위한 적어도 2개 이상의 압착부재들;
    을 포함하고,
    상기 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해, 파우치형 케이스의 외주변이 밀봉 잉여부를 형성하기 위한 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치형 케이스는, 전지셀의 내부로부터 외부 방향으로, 열융착성 내부층인 제 1 수지층, 물질 차단성의 금속층, 및 외부층인 제 2 수지층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 유도 가열 코일들에 의해 발생된 자기장이 파우치형 케이스의 금속층에 유도 전류를 발생시켜 파우치형 케이스의 외주변을 가열하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열융착이 가능한 온도는 파우치형 케이스의 제 1 수지층이 용융되는 온도인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 수지층의 용융되는 온도는 섭씨 150도 내지 섭씨 250도인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 수지층은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), PE-PP 공중합체, 및 PE-PP 블랜딩 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;
    상기 제 2 수지층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 테트론계 수지, 비닐론계 수지, 및 나일론계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유도 가열 코일은 평면상으로 'ㅁ'자인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 유도 가열 코일들은 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일로 이루어져 있고, 상기 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일은 지면을 기준으로 전지셀의 상부 및 하부에 각각 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일은 전기 도선의 권회 횟수가 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일 각각에 흐르는 교류 전류의 크기 및 방향은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 유도 가열 코일의 권회 형상은 파우치형 케이스의 외주변에 대응되는 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 유도 가열 코일은 밀봉 잉여부가 형성될 파우치형 케이스의 외주변에 대응되는 위치에서 파우치형 케이스로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 유도 가열 코일에는 40Hz 이상 내지 100Hz 이하인 고주파의 교류 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 유도 가열 코일에 흐르는 고주파 교류 전류에 의해 발생된 유도 전류는 전체 유도 전류를 기준으로 50% 이상이 파우치형 케이스의 외주변에 집중되어 흐르는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 압착부재는 전기 절연체인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 압착부재는 평면상으로 'ㄷ' 자 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 압착부재들은 지면을 기준으로 파우치형 케이스의 상면 및 하면 각각에 대면하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지셀 제조장치를 사용하여 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 실링(sealing) 공정을 실시할 전지셀을 거치대에 고정 장착하는 과정;
    (b) 전원공급부에서 유도 가열 코일에 교류 전류를 공급하고 상기 유도 가열 코일에 발생된 자기장에 의해 파우치형 케이스의 외주변을 열융착이 가능한 온도까지 유도 가열하는 과정; 및
    (c) 적어도 2개 이상의 압착부재들을 파우치형 케이스의 외주변에 대응되는 위치에서 가압하여 열융착하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
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