WO2020189962A1 - 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법 - Google Patents

진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2020189962A1
WO2020189962A1 PCT/KR2020/003473 KR2020003473W WO2020189962A1 WO 2020189962 A1 WO2020189962 A1 WO 2020189962A1 KR 2020003473 W KR2020003473 W KR 2020003473W WO 2020189962 A1 WO2020189962 A1 WO 2020189962A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery cell
manufacturing
spare
tray
vibration
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/003473
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
강경수
이용태
김지호
고명훈
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to EP20773456.7A priority Critical patent/EP3800705B1/en
Priority to US17/253,297 priority patent/US11605830B2/en
Priority to CN202080003420.9A priority patent/CN112335119B/zh
Publication of WO2020189962A1 publication Critical patent/WO2020189962A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0404—Machines for assembling batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/0629—Square array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/673—Containers for storing liquids; Delivery conduits therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an electrolytic solution impregnating apparatus for manufacturing a battery cell using vibration and a method for manufacturing a battery cell using the same.
  • lithium secondary batteries such as lithium-ion batteries and lithium-ion polymer batteries that have advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability.
  • secondary batteries are cylindrical and prismatic batteries in which an electrode assembly is built into a cylindrical or square metal can, and a pouch-type battery in which the electrode assembly is built into a pouch-shaped case of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the battery case. Classified.
  • a pouch-type battery having a structure in which a stack-type or stack/folding-type electrode assembly is embedded in a pouch-type battery case of an aluminum laminate sheet has attracted a lot of attention due to low manufacturing cost, small weight, and easy shape transformation. And also its usage is gradually increasing.
  • such a secondary battery is manufactured by sealing an electrode assembly having a structure including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive and negative electrodes together with an electrolyte in a battery case.
  • the secondary battery undergoes an aging process under conditions of a specific temperature, pressure, and time to improve the impregnation of the electrolyte solution into the electrode assembly, and discharges the gas generated in this process to the outside. It is manufactured through a degas process.
  • An object of the present invention is to solve the problems of the prior art and technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application configured to apply megasonic vibration to the spare battery cell in a state in which the spare battery cell is housed in the battery cell tray, as described later,
  • the impregnation of the electrolyte be improved, but also small-sized air bubbles can be removed, and damage to the battery cells can be minimized, thereby effectively solving conventional problems.
  • a battery cell tray in which one or more spare battery cells are accommodated
  • An excitation unit that faces one side of the battery cell tray and applies megasonic vibration to the spare battery cell while the spare battery cell is accommodated;
  • An electrolytic solution impregnation device for manufacturing a battery cell comprising a is provided.
  • the direct physical contact between the electrode assembly and the electrolyte solution is increased by the vibration of the megasonic, and thus impregnability of the electrolyte solution can be improved, and air bubbles can be effectively removed. Time and cost can be saved, and the safety of the battery cell can be improved.
  • the megasonic vibration is a vibration having a frequency of 500 kHz to 3000 kHz, and is different from an ultrasonic wave having a frequency of 20 kHz to 100 kHz.
  • boundary layer means the thickness that the fluid affects, and the boundary layer must be smaller than the size of the air bubbles to be removed. As the boundary layer decreases, the size of the removable air bubbles decreases (see FIG. 2).
  • This boundary layer becomes smaller as the frequency increases, the viscosity of the fluid decreases, and the temperature increases.
  • the applicants of the present invention confirmed that, when using megasonic vibration having a frequency higher than that of ultrasonic waves, it was possible to remove bubbles of a micro size or less inside the battery cell, and came to complete the present invention.
  • the excitation part of the megasonic vibration may be made of PZT (lead zirconate titanate).
  • the megasonic vibration is to cause the vibration plate to vibrate by the PZT, which is an excitation unit, using an AC voltage, and as shown in FIG. 3, the bubbles are impacted by repeatedly contracting and expanding the bubbles by a large pressure. It causes contraction and explosion by pressure above the surface tension to remove air bubbles.
  • the preliminary battery cell may have a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is embedded in a battery case together with an electrolyte. If it has, the shape is not limited, and all of a cylindrical battery cell, a prismatic battery cell, and a pouch-type battery cell may be used.
  • a battery cell tray including a recess corresponding to these shapes may be used.
  • the pouch-type battery cell is a structure that is well deformed, it is not easy to fix the jig compared to the cylindrical battery cell or the prismatic battery cell, so that a separate fixing member capable of fixing these battery cells may be further included.
  • the shape is not limited as long as it is a structure capable of fixing the pouch-type battery cell.
  • the preliminary battery cell may have a structure in which the upper part of the battery cell is partially or completely opened for effective gas removal.
  • the upper part means the direction in which the upper surface of the battery cell tray is opened when stored in the battery cell tray.
  • a pouch type it may mean a position where an electrode terminal is formed, and in the case of a cylinder and a square, it may mean a cap portion.
  • a closed type may be possible so that the liquid medium is not sucked, but in this case, a process of opening and then closing again may be additionally required to remove gas additionally thereafter.
  • the storage type of the battery cells is not limited and is possible, and may be accommodated as shown in FIGS. 4 to 6 below.
  • the cap plate in the case of a cylindrical battery cell, the cap plate may be erected to be positioned on the top or laid down so that the cap plate and the bottom surface are in the same position with respect to the ground.
  • the prismatic battery cell and the pouch-type battery cell are erected so that the electrode terminals are located on the top, the electrode terminals are located on the side, but the thinner area is erected toward the bottom, or the electrode terminals are located on the side, It can be stored in a stacked state with a large area facing the bottom.
  • the battery cell tray is in the shape of a pipe in which the upper and lower surfaces are open relative to the ground, or in a state where the upper surface is open to the ground to accommodate spare battery cells, from the open portion to the lower surface direction. It may be formed in a concave indented shape, that is, a hollow shape or a cup shape.
  • the spare battery cell can be more easily accommodated and removed through the open upper surface of the battery cell tray.
  • the battery cell tray is open not only at the top but also at the bottom, so that the excitation part is in direct contact with the edge of the battery cell tray at one side of the battery cell tray and the spare battery cell.
  • the lower part of the battery cell tray is closed, and the excitation part is fixed to face the lower surface of the battery cell tray and applies megasonic vibration to the battery cell tray, so that the megasonic vibration is transmitted to the spare battery cell. It may be a structure that can be used.
  • the excitation unit can directly or indirectly apply the megasonic vibration to the spare battery cell, and can effectively apply the vibration through an appropriate method or configuration in consideration of various factors such as process efficiency and space constraints. .
  • the battery cell tray may or may not include a guard for dividing the storage space of each spare battery cell.
  • the megasonic vibration may be applied once or two or more times periodically or non-periodically.
  • the number and period of vibration applied from the excitation unit may be appropriately selected according to conditions such as the number and size of spare battery cells to which vibration is applied.
  • the spare battery cell may be supported on a liquid medium while being accommodated in a battery cell tray. Specifically, 5% or more based on the spare battery cell may be loaded, but if the spare battery cell has an open top structure, it may be loaded at 90% or less so as not to affect this.
  • the liquid medium is a medium that transmits the megasonic vibration applied from the excitation unit to the spare battery cell, and supports the spare battery cells accommodated in the battery cell tray, resulting in a space between the battery cell tray and the spare battery cell. You can keep it filled.
  • the liquid medium is one that can effectively transmit the vibration from the vibration applying unit to the spare battery cell housed in the battery cell tray, the type is not largely limited, and in detail, cost and ease of handling may be considered. When, it may be water.
  • the inventors of the present application can also reduce the boundary layer when the process temperature is increased, and when the process temperature can be adjusted in the electrolyte solution impregnating device for manufacturing the battery cell, the process temperature is reduced. It was confirmed that air bubbles of a finer size can be removed.
  • the electrolyte impregnation device for manufacturing a battery cell according to the present invention may further include a temperature control unit, and the structure is not limited, and is included in the excitation unit, so that heat can be applied to the spare battery cell and/or the liquid medium through the excitation unit. It may further include a chamber including a battery cell tray and an excitation part, and the chamber may be capable of controlling a temperature.
  • the temperature may be 20 to 70 degrees Celsius.
  • the temperature of the liquid medium may be 20 to 70 degrees Celsius.
  • the spare battery cell can be moved vertically up/down in the tray. Through such sweeping, the effect of Megasonic can be maximized at all locations of the spare battery cell.
  • the effect of Megasonic may vary depending on the distance between the spare battery cell and the excitation plane. At this time, since the length of the spare battery cell is long, the effect may be different at various locations of the spare battery cell. This problem can be completely solved and the effect can be maximized.
  • a vibrator such as an ultrasonic horn may be supported on the liquid medium to add additional vibration to the spare battery cell.
  • additional vacuum may be applied from the upper surface of the battery cell tray.
  • a method of manufacturing a battery cell using an electrolytic solution impregnation device for manufacturing a battery cell comprising a is provided.
  • the storage form of the spare battery cells, the structure of the battery cell tray, the megasonic vibration method, and the like are as described above.
  • the process c) is performed at 20 to 70 degrees Celsius, in detail, 30 to 70 degrees, in more detail. Can be performed at 40 degrees to 60 degrees.
  • a liquid medium may be included in the battery cell tray, and at least 5% or more of the spare battery cell may be supported in the liquid medium based on the external surface area.
  • ultrasonic vibration may be added to the liquid medium in addition to the megasonic vibration.
  • the temperature may be in the above range.
  • a vacuum may be applied to the spare battery cells in order to more smoothly impregnate the electrolyte and remove air bubbles.
  • the upper portions of the spare battery cells are open, bubbles can be removed smoothly, and if the cells are closed, the effect of collecting bubbles in one place can be maximized.
  • FIG. 2 is a photograph and a graph showing the boundary layer of each vibration and the size of a removable bubble (borrowed from);
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a process in which bubbles are removed by megasonic vibration (borrowed from);
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a form in which a cylindrical battery cell is accommodated in a battery cell tray;
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a form in which the prismatic battery cells are accommodated in the battery cell tray;
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a form accommodated in a pouch-type battery cell in a battery cell tray
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the structure of an electrolytic solution impregnation device for manufacturing a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the structure of an electrolyte solution impregnation device for manufacturing a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the structure of an electrolyte solution impregnation device for manufacturing a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the structure of an electrolytic solution impregnation device for manufacturing a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the structure of an electrolyte solution impregnation device for manufacturing a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the structure of an electrolyte solution impregnation device for manufacturing a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the structure of an electrolytic solution impregnation apparatus for manufacturing a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the structure of an electrolyte solution impregnation device for manufacturing a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • Example 15 is a photograph showing the experimental method of Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. 7 and 8 are schematic diagrams schematically showing the structure of an electrolytic solution impregnating apparatus for manufacturing a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the electrolyte solution impregnation device 100 faces a battery cell tray in which one or more spare battery cells 111, 112, 113 are accommodated, and a battery cell tray 120 and one side of the battery cell tray. Consists of a structure including a megasonic vibration excitation unit 130 that is in contact with and includes the megasonic vibration elements 131 therein.
  • the battery cell tray 120 has a shape that is recessed in the lower surface direction with the upper surface open relative to the ground, and the lower part is closed so that the excitation part 130 faces the lower surface of the battery cell tray 120 Is fixed.
  • the spare battery cells 111, 112, 113 can be more easily accommodated and removed through the open upper surface of the battery cell tray 120, and megasonic vibration is applied to the battery cell tray 120 to be It has a structure that is transmitted to the battery cells 111, 112, and 113.
  • the excitation portion includes one or more megasonic vibration elements 131, which are spaced apart at predetermined intervals.
  • the battery cell tray 220 of the electrolyte solution impregnation device 200 has a structure in which the lower part is open, so that the excitation part 230 directly contacts the spare battery cells 211, 212, 213 It is the same as that of FIG. 7 except that megasonic vibration is applied in the state.
  • 9 to 13 illustrate electrolytic solution impregnating devices for manufacturing a battery cell having a structure in which spare battery cells are supported in a liquid medium according to another embodiment of the present invention.
  • an electrolyte solution impregnation device 300 for manufacturing a battery cell faces a battery cell tray in which one or more spare battery cells 311, 312, 313 are accommodated, and one side of the battery cell tray 320 and the battery cell tray. It is in contact with one state, and includes a megasonic vibration excitation unit 330 including megasonic vibration elements therein, and the spare battery cells 310 are accommodated in the battery cell tray, in a liquid medium 340 It is fully supported.
  • the liquid medium 340 may be water, and by increasing the temperature of the liquid medium 340, the internal temperature of the spare battery cells 311, 312, and 313 may be increased to further lower the boundary layer.
  • FIGS. 10 and 11 an electrolyte solution impregnating device further including a temperature control unit according to another embodiment of the present invention is schematically shown in FIGS. 10 and 11.
  • the electrolyte impregnation device 400 for manufacturing a battery cell further includes a temperature control unit 432, except that the temperature control unit 432 is included in the excitation unit 430 in the form of a hot wire. And has the same structure as in FIG. 9.
  • the electrolytic solution impregnation device 500 for manufacturing a battery cell of FIG. 11 has a structure including a chamber 550 capable of controlling a temperature as a temperature controller.
  • the boundary layer may be further lowered by increasing the internal temperature of the spare battery cells by further including a temperature controller.
  • FIGS. 12 to 14 there are shown electrolyte impregnation devices for manufacturing a battery cell to which an additional device for smoother bubble removal is added.
  • the electrolyte solution impregnation device 600 for manufacturing a battery cell is a liquid medium while having a structure in which the spare battery cells 611, 612, and 613 are supported on the liquid medium 640 as in FIG.
  • the vibrator of the ultrasonic horn 641 is supported together to add additional vibration to the spare battery cells 611, 612, and 613.
  • the electrolyte solution impregnation device 700 for manufacturing a battery cell further includes a moving part 750 for moving the spare battery cells 711, 712, 713 in a vertical direction, and the spare battery cells
  • a moving part 750 for moving the spare battery cells 711, 712, 713 in a vertical direction
  • the spare battery cells By sweeping the (711, 712, 713) in a vertical direction, similar vibrations can be applied to the spare battery cells (711, 712, 713) as a whole. While effectively preventing problems such as short circuits, it is possible to maximize the effect of the present invention.
  • the electrolytic solution impregnating apparatus 800 for manufacturing a battery cell further includes a vibration applying unit 850, thereby applying a vacuum to the spare battery cells 811, 812, and 813.
  • the resulting effect can be improved.
  • the jelly roll measuring cylinder was set up on a tray attached with a megasonic vibrator, and water (25° C.) was filled in the tray so that the measuring cylinder was adequately filled (about 18 ml scale).
  • Example 1 Except that megasonic vibration was not applied, it was carried out as in Example 1 (refer to the right figure in FIG. 15).
  • Example 2 It was performed as in Example 1, except that ultrasonic vibration (100 kHz) was added for 60 minutes using an ultrasonic horn instead of megasonic vibration.
  • Example 1 The jelly roll electrode assemblies of Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 were spread out and photographed to check whether the electrolyte was impregnated and whether the electrode was damaged, and the results are shown in FIG. 16.
  • the electrolytic solution impregnation device for manufacturing a battery cell increases the direct physical contact between the electrode assembly and the electrolytic solution due to the vibration by adding megasonic vibration to the spare battery cell, thereby improving electrolyte impregnation.
  • it is possible to effectively remove air bubbles inside the battery cell, thus preventing a decrease in the capacity of the battery cell and improving safety, and also required for the manufacture of the battery cell. It can save time and cost.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Filling, Topping-Up Batteries (AREA)
  • Primary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 전지셀 내의 전극조립체에 대한 전해액의 함침(wetting)을 향상시키기 위한 장치로서, 하나 이상의 예비 전지셀이 수납되는 전지셀 트레이(tray); 및 상기 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해 있고, 예비 전지셀이 수납된 상태에서, 예비 전지셀에 메가소닉(Megasonic) 진동을 인가하는 가진부; 를 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법을 제공한다.

Description

진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법
본 출원은 2019년 03월 18일자 한국 특허 출원 제10-2019-0030800호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌들에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 전기자동차와 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
일반적으로, 이러한 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장시킨 상태로 밀봉함으로써, 제조된다.
이러한 경우에, 상기 이차전지는 전극조립체에 대한 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있도록, 특정한 온도, 압력 및 시간의 조건 하에서 숙성(aging) 공정을 거치게 되고, 이러한 과정에서 발생한 가스를 외부로 배출시키는 탈기(degas) 공정을 거쳐 제조된다.
그러나, 상기 숙성 공정 및 탈기 공정은 전극조립체가 전해액에 충분히 함침될 수 있도록 하기 위해, 그리고, 기포 제거를 충분히 하기 위해, 지나치게 많은 시간을 소요하게 되며, 이에 따라, 최근에는 전해액 함침시 진공을 이용한 방법, 가압을 이용한 방법 등을 사용하여, 그 시간을 단축하고자 하는 노력이 있어왔다.
그럼에도 불구하고, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 방법에 따라서는 여전히 이차전지 셀 내부에 기포가 잔존하는 경우가 많으며, 특히 이차전지 셀 내부에 존재하는 마이크로 크기의 기포는 장기간 사라지지 않으며, 용존 산소량을 증가시켜, 이차전지의 용량에 악영향을 미치며, 가스를 수용하는 가스포켓의 공간보다 더 많은 가스의 방출로 배터리 안전에 위협이 된다.
따라서, 상기 방법 이후에도 탈기 공정을 수행하는데, 기포 제거에 시간이 많이 소요되므로, 공정 비용 및 제조 시간 증가의 문제를 일으킨다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 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, 전지셀 트레이에 예비 전지셀이 수납된 상태에서, 상기 예비 전지셀에 메가소닉 진동을 인가하도록 구성함으로써, 상기 진동으로 인한 전극조립체와 전해액의 직접적인 물리적 접촉을 증가시켜 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 작은 크기의 기포 제거를 가능하게 하고, 전지셀 손상은 최소화 시킴으로써, 종래 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 구현예에 따르면,
전지셀 내의 전극조립체에 대한 전해액의 함침(wetting)을 향상시키기 위한 장치로서,
하나 이상의 예비 전지셀이 수납되는 전지셀 트레이(tray); 및
상기 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해 있고, 예비 전지셀이 수납된 상태에서, 예비 전지셀에 메가소닉(Megasonic) 진동을 인가하는 가진부;
를 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치가 제공된다.
따라서, 상기 메가소닉의 진동에 의해 전극조립체와 전해액의 직접적인 물리적 접촉을 증가시키고, 이에 따른 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 기포의 제거도 효과적으로 가능하므로, 전지셀의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있고, 전지셀의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 메가소닉 진동은, 500 kHz 내지 3000 kHz의 진동수를 가지는 진동으로, 보통 20kHz 내지 100kHz의 진동수를 가지는 초음파와는 차이가 있다.
상기와 같은 범위의 높은 진동수를 가질수록 작은 크기의 기포도 제거할 수 있을 뿐 아니라, 전지셀에 대한 손상도 절감된다.
또한, 전해액 함침에 있어서는, 진동에 의해 전극조립체와 전해액의 직접적인 물리적 접촉을 증가시키는 방법으로 이루어진다.
그러나, 상기 기포의 제거를 위해서는 바운더리 레이어(boundary layer)가 영향을 미치게 되는데, 상기 바운더리 레이어란, 유체가 영향을 미치는 두께를 의미하며, 이러한 바운더리 레이어가 제거하고자 하는 기포의 크기보다 작아야, 그 기포에 영향을 미칠 수 있으므로, 바운더리 레이어가 작아질수록 제거 가능한 기포의 크기가 작아진다(도 2 참조).
한편, 그 크기(직경)가 큰 기포의 경우, 빠르게 표면으로 상승하여 파열하거나, 수분 정도만 존재하는 반면, 기포의 크기가 작아질수록 잔류 시간은 증가하고, 표면으로 상승하지 않고, 유체 내부에 존재하게 되므로, 작은 크기의 기포를 제거하는 것이 관건이다.
따라서, 바운더리 레이어를 작게하여, 작은 크기의 기포까지 제거를 가능하게 할 수 있다. 이러한 바운더리 레이어는 주파수가 클수록, 유체의 점도가 낮을수록, 온도가 높을수록 작아진다.
따라서, 본 발명의 출원인들은, 초음파보다 주파수가 큰 메가소닉 진동을 사용하는 경우, 전지셀 내부의 마이크로 크기 이하의 기포까지 제거가 가능한 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기 메가소닉 진동의 가진부는 PZT(Lead zirconate titanate, 티탄산 지르콘산 연)로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 메가소닉 진동은 교류전압을 이용하여 가진부인 PZT에 의해 진동판을 떨리게 하는 것으로, 도 3에서 보는 바와 같이, 큰 압력에 의해 기포에 수축과 팽창을 반복적으로 동작하게 함으로써, 기포에 충격을 주고 표면장력 이상의 압력에 의해 수축, 폭발을 일어나게 하여 기포를 제거하게 된다.
이와 같은 방법으로, 본 발명에 따르면, 전해액 함침 뿐 아니라, 전해액 내 기포를 효과적으로 제거할 수 있는 바, 전지 용량의 저하를 막고, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 효과를 발휘하기 위한, 상기 예비 전지셀은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 구조를 가진다면, 그 형태는 한정되지 아니하고, 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 및 파우치형 전지셀이 모두 사용될 수 있다.
다만, 금속 캔으로 이루어진 원통형 전지셀이나 각형 전지셀은 전지셀 트레이에 수납할 때, 고정이 비교적 잘 이루어지므로, 이들 모양에 대응되는 오목부를 포함하는 전지셀 트레이를 이용할 수 있다.
반면, 파우치형 전지셀은 형태 변형이 잘 이루어지는 구조이므로, 상기 원통형 전지셀이나 각형 전지셀에 비해 지그 고정이 쉽지 아니하므로, 이들 전지셀들을 고정할 수 있는 별도의 고정 부재가 더 포함될 수도 있음은 물론이며, 그 형태는 파우치형 전지셀을 고정할 수 있는 구조라면 한정되지 아니한다.
이때, 상기 예비 전지셀은 가스의 효과적인 제거를 위해 전지셀 상부가 일부 또는 전부 개방되어 있는 구조일 수도 있다. 여기서, 상부는 전지셀 트레이에 수납시 전지셀 트레이 상면 개방방향을 의미한다. 예를 들어, 파우치형의 경우 전극단자 형성 위치, 원통 및 각형의 경우 캡 부분을 의미할 수 있다. 전지셀 트레이에의 수납 형태에 따라 액상매체가 흡입되지 않도록 물론 폐쇄된 형태도 가능하나, 이 경우, 이후 추가적으로 가스를 제거하기 위해 개방 후 다시 폐쇄하는 공정이 추가로 필요할 수 있다.
한편, 상기 어떠한 형태의 전지셀이든, 전지셀들의 수납 형태는 한정되지 아니하고, 가능하며, 하기 도 4 내지 6과 같이 수납될 수 있다.
즉, 도 4와 같이, 원통형 전지셀의 경우, 캡 플레이트 부분이 상부에 위치하도록 세워진 형태 또는 캡 플레이트와 바닥면이 지면에 대해 동일한 위치에 있도록 눕혀진 형태가 다 가능하며, 도 5 및 6과 같이, 각형 전지셀 및 파우치형 전지셀은, 전극 단자들이 상부에 위치하도록 세워진 형태, 전극 단자들이 측면에 위치하되, 보다 얇은 면적이 바닥부를 향하도록 세워진 형태, 또는 전극 단자들이 측면에 위치하고, 가장 넓은 면적이 바닥부를 향하도록 적층된 상태로 수납될 수 있다.
한편, 상기 전지셀 트레이는 지면을 기준으로 상면 및 하면이 개방된파이프(pipe) 형상, 또는 예비 전지셀들을 수납할 수 있도록 지면을 기준으로 상면이 개방된 상태에서, 상기 개방 부위로부터 하면 방향으로 오목하게 만입된 형상으로 이루어질 수 있으며, 다시 말해, 속이 빈 형태의 또는 컵(cup) 형상일 수 있다.
따라서, 상기 예비 전지셀은 전지셀 트레이의 개방된 상면을 통해 보다 용이하게 수납 및 제거될 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 전지셀 트레이는, 상부 뿐 아니라 하부 또한 개방되어 있어, 상기 가진부가 전지셀 트레이의 일측에서 전지셀 트레이의 모서리와, 예비 전지셀에 직접 접촉된 상태에서 메가소닉 진동을 인가하는 구조일 수 있으며, 또는 전지셀 트레이의 하부가 폐쇄되어 있고, 상기 가진부가 전지셀 트레이의 하면에 대면하여 고정되어 전지셀 트레이에 메가소닉 진동을 인가함으로써, 상기 메가소닉 진동이 예비 전지셀에 전달되는 구조일 수도 있다.
다시 말해, 상기 가진부는 예비 전지셀에 직접 또는 간접적으로 메가소닉 진동을 인가할 수 있으며, 공정의 효율성, 공간에 대한 제약 등 다양한 요인을 고려하여 적절한 방법 내지 구성을 통해 효과적으로 진동을 인가할 수 있다.
또한, 상기 전지셀 트레이는 각 예비 전지셀들의 수납 공간을 구분하는 가드를 포함할 수도, 그렇지 않을 수도 있다.
즉, 적절히 예비 전지셀들을 수납하고, 고정할 수 있는 구조라면 한정되지 아니한다.
한편, 상기 메가소닉 진동은 한 차례, 또는 주기적 또는 비주기적으로 두 차례 이상 인가될 수 있다.
여기서, 상기 가진부로부터 인가되는 진동 횟수 및 주기는 진동이 가해지는 예비 전지셀의 수량 및 크기와 같은 조건에 따라 적절히 선택될 수 있음은 물론이다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 예비 전지셀은 전지셀 트레이에 수납된 상태에서 액상 매체에 담지되어 있을 수 있다. 구체적으로, 예비 전지셀 기준 5% 이상이 담지될 수 있으나, 예비 전지셀이 상부가 개방된 구조라면 이에 영향을 주지 않도록 90% 이하로 담지될 수 있다.
이때, 상기 액상 매체는 가진부로부터 인가되는 메가소닉 진동을 예비 전지셀에 전달해주는 매개체로서, 전지셀 트레이에 수납된 예비 전지셀을 담지시켜, 결과적으로 전지셀 트레이와 예비 전지셀 사이의 공간을 채운 상태를 유지할 수 있다.
따라서, 상기 가진부로부터 인가되는 메가소닉 진동의 손실을 최소화하면서 예비 전지셀에 보다 효과적으로 전달될 수 있으며, 상기 예비 전지셀의 모든 부위에 균일하게 전달됨으로써, 전지셀 트레이를 사이에 두고 가진부에 인접한 부위와 같은 특정 부위에 진동이 집중됨으로써 발생할 수 있는 예비 전지셀의 손상 내지 단락 등의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
이때, 상기 액상 매체는 진동 인가부로부터의 진동을 전지셀 트레이에 수납된 예비 전지셀에 효과적으로 전달할 수 있는 것이라면 그 종류가 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 비용 및 취급의 용이성 등을 고려하였을 때, 물(water)일 수 있다.
또한, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 출원의 발명자들은 또한, 공정 온도를 높이는 경우, 상기 바운더리 레이어를 작게 할 수 있는 바, 상기 전지셀 제조용 전해액 함침 장치에서 공정 온도를 조절할 수 있는 경우, 공정 온도를 높여 더욱 미세한 크기의 기포를 제거할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는 온도 조절부를 더 포함할 수 있으며, 그 구조는 한정되지 아니하고, 가진부에 포함되어, 가진부를 통해 예비 전지셀 및/또는 액상매체에 열을 가할 수도 있으며, 전지셀 트레이와 가진부를 내장하는 챔버를 더 포함하고, 상기 챔버가 온도 조절이 가능한 것일 수 있다.
이때, 전지셀의 다른 구성요소들에는 영향을 주면 안되므로, 상기 온도는 섭씨 20도 내지 70도일 수 있다.
따라서, 액상 매체가 포함되는 경우, 액상 매체의 온도는 섭씨 20도 내지 70도일 수 있다.
더 나아가, 상기 효과를 극대화할 수 있도록, 예비 전지셀은 트레이 내에서 위/아래 수직 방향으로 이동할 수 있다. 이와 같은 스위핑(Sweeping)을 통해, 예비 전지셀의 모든 위치에서 메가소닉의 효과를 극대화 시킬 수 있다.
이는, 메가소닉의 영향은 예비 전지셀과 가진면 간 거리에 따라 달라질 수 있는데, 이때 예비 전지셀의 길이에 길기 때문에 예비 전지셀의 여러 위치에서 영향이 차이가 날 수 있기 때문에 상기와 같은 움직임으로 이러한 문제를 완전히 해결하여 효과를 극대화할 수 있는 것이다.
또한, 상기 액상 매체에는 초음파 혼 등의 진동자가 함께 담지되어 예비 전지셀에 추가 진동을 부가할 수도 있다.
더욱이, 본 발명의 일 구현예에 따르면 전해액 함침 효과를 더욱 향상시키기 위해, 전지셀 트레이의 상면에서 추가적으로 진공이 가해질 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면,
a) 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스 내부에 수납한 상태에서 밀봉함으로써 예비 전지셀을 제조하는 과정;
b) 상기 예비 전지셀을 전해액 함침 장치의 전지셀 트레이에 수납하는 과정; 및
c) 상기 예비 전지셀에 가진부를 통한 메가소닉(megasonic) 진동을 인가하는 과정;
을 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치를 이용한 전지셀의 제조 방법이 제공된다.
이때, 상기 예비 전지셀들의 수납 형태, 전지셀 트레이의 구조, 메가소닉 진동 방법 등은 상기에서 설명한 바와 같다.
또한, 상기에서 설명한 바와 같이, 바운더리 레이어를 작게하여 미세 크기의 기포까지 제거하기 위해, 메가소닉 진동 이외에 과정 c)를 섭씨 20도 내지 70도, 상세하게는, 30도 내지 70도, 더욱 상세하게는 40도 내지 60도에서 수행할 수 있다.
그리고, 전지셀 트레이 내부에 액상 매체를 포함하고, 예비 전지셀은 외부 표면적을 기준으로 적어도 5% 이상이 액상 매체에 담지되도록 할 수도 있고, 이때 메가소닉 진동 외에 액상 매체에 초음파 진동의 함께 부가할 수 있으며, 및/또는 온도를 상기 범위로 할 수도 있다.
더 나아가, 상기 과정 c)에서 전해액 함침과 기포 제거를 더욱 원활하게 하기 위해 예비 전지셀들에 진공이 인가될 수 있다. 이 경우, 예비 전지셀들의 상부가 개방된 형태라면 바로 기포 제거가 원활하게 이루어질 수 있으며, 폐쇄된 형태라면 기포를 한군데로 포집하는 효과가 극대화될 수 있다.
도 1은 종래 전지셀 내부에 기포가 발생한 사진이다;
도 2는 각 진동의 바운더리 레이어와 제거 가능한 기포 사이즈를 도시한 사진 및 그래프이다(에서 차용);
도 3은 메가소닉 진동에 의해 기포가 제거되는 과정을 도시한 모식도이다(에서 차용);
도 4는 전지셀 트레이에 원통형 전지셀이 수납되는 형태를 도시한 모식도이다;
도 5는 전지셀 트레이에 각형 전지셀이 수납되는 형태를 도시한 모식도이다;
도 6은 전지셀 트레이에 파우치형 전지셀에 수납되는 형태를 도시한 모식도이다;
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 11은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 12는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 13은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 14는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 15는 실시예 1 및 비교예 1의 실험방법을 나타낸 사진이다.
도 16은 실험예 1에 따른 비교 사진이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 7 및 도 8에는 본 발명의 일 구현예에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도들이 도시되어 있다.
먼저, 도 7을 참조하면, 전해액 함침 장치(100)은 하나 이상의 예비 전지셀들(111, 112, 113)이 수납되는 전지셀 트레이 전지셀 트레이(120)와 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해있고, 메가소닉 진동소자들(131)을 내부에 포함하는 메가소닉 진동 가진부(130)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀 트레이(120)는 지면을 기준으로 상면이 개방된 상태에서, 하면 방향으로 오목하게 만입된 형상으로 이루어져 있으며, 하부가 폐쇄되어 가진부(130)가 전지셀 트레이(120)의 하면에 대면하여 고정되어 있다.
따라서, 예비 전지셀들(111, 112, 113)은 전지셀 트레이(120)의 개방된 상면을 통해 보다 용이하게 수납 및 제거될 수 있으며, 메가소닉 진동은 전지셀 트레이(120)에 인가되어 예비 전지셀들(111, 112, 113)에 전달되는 구조로 가진다.
또한 가진부에는 하나 이상의 메가소닉 진동소자(131)를 포함하며, 이들은 소정의 간격을 두고 이격되어 있다.
도 8을 참조하면, 전해액 함침 장치(200)의 전지셀 트레이(220)가 하부가 개방되어 있는 구조로 이루어져 있어, 가진부(230)가 예비 전지셀들(211, 212, 213)에 직접 접촉된 상태에서 메가소닉 진동을 인가하는 점을 제외하고는 도 7과 동일하다.
따라서, 메가소닉 진동을 예비 전지셀들에 가할 수 있고, 이에 따라, 전해액 함침을 용이하게 할 뿐 아니라, 작은 크기의 기포까지 제거 가능하다.
도 9 내지 도 13에는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따라 예비 전지셀들이 액상 매체에 담지된 구조의 전지셀 제조용 전해액 함침 장치들이 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(300)은, 하나 이상의 예비 전지셀들(311, 312, 313)이 수납되는 전지셀 트레이 전지셀 트레이(320)와 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해있고, 메가소닉 진동소자들을 내부에 포함하는 메가소닉 진동 가진부(330)를 포함하며, 예비 전지셀들(310)은 전지셀 트레이에 수납된 상태에서, 액상 매체(340)에 완전히 담지되어 있다.
이때, 상기 액상 매체(340)는 물일 수 있으며, 액상 매체(340)의 온도를 높임으로써 예비 전지셀들(311, 312, 313)의 내부 온도를 높여 바운더리 레이어를 더욱 낮출 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 온도조절부를 더 포함하는 전해액 함침장치가 도 10 및 도 11에 모식적으로 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(400)은 온도 조절부(432)를 더 포함하며, 온도 조절부(432)가 열선의 형태로 가진부(430)에 포함되어 있는 점을 제외하고는 도 9과 동일한 구조를 가진다.
한편, 도 11의 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(500)은 온도 조절이 가능한 챔버(550)를 온도 조절부로서 포함하는 구조를 가진다.
이와 같이 온도 조절부를 더 포함하여, 예비 전지셀들의 내부 온도를 높임으로써 바운더리 레이어를 더 낮출 수 있다.
더욱이, 도 12 내지 도 14에는 기포 제거를 더욱 원활하게 하기 위한 추가적인 장치가 부가된 전지셀 제조용 전해액 함침 장치들이 도시되어 있다.
먼저, 도 12를 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(600)은, 도 9와 동일하게 예비 전지셀들(611, 612, 613)이 액상 매체(640)에 담지된 구조를 가지면서 액상 매체(640)는 초음파 혼(641)의 진동자가 함께 담지되어 예비 전지셀들(611, 612, 613)에 추가 진동을 부가한다.
따라서, 전해액 함침성과, 기포 제거 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 13을 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(700)은, 예비 전지셀들(711, 712, 713)을 수직 방향으로 이동시키는 이동부(750)를 더 포함하여, 예비 전지셀들(711, 712, 713)을 수직 방향으로 스위핑 시켜 예비 전지셀들(711, 712, 713)에 전체적으로 유사한 진동이 가해질 수 있게 하여, 특정 부위에 진동이 집중됨으로써 발생할 수 있는 예비 전지셀의 손상 내지 단락 등의 문제점을 효과적으로 예방하면서 본 발명에 따른 효과를 극대화할 수 있다.
마지막으로, 도 14를 참조하면, 전지셀 제조용 전해액 함침 장치(800)은, 진동 인가부(850)를 더 포함하여, 예비 전지셀들(811, 812, 813)에 진공을 가함으로써 본 발명에 따른 효과를 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
<실시예 1>
직경 18mm, 높이 65mm의 젤리롤 전극조립체(18650 HB7, LG화학사)를 메스실린더에 넣은 후, 메스실린더 눈금에 전해액이 30ml가 찰때까지 주입하였다(이는, 상기 젤리롤 전극조립체를 완전히 담지시킬 정도의 양이다). 전해액은 1M LiPF6 이 녹아 있는 EC:EMC:DMC = 3:3:4(Vol%)의 전해액을 사용하였다.
상기 젤리롤 메스실린더를 메가소닉 진동자가 부착된 트레이에 세워놓고 메스실린더가 적당히 찰 정도로(약 18ml 눈금) 트레이에 물(25℃)을 채워 넣었다.
상기 이차전지에 도 9에서 도시한 바와 같이 메가소닉 진동(1MHz)을 60분 동안 가하였다. (도 15 좌측 도면 참조)
<비교예 1>
메가소닉 진동을 가하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 같이 수행하였다(도 15 우측 도면 참조).
<비교예 2>
메가소닉 진동 대신 초음파 혼을 이용하여 초음파 진동(100kHz)을 60분동안 부가한 것을 제외하고, 실시예 1과 같이 수행하였다.
<실험예 1>
실시예 1, 및 비교예 1 내지 2의 젤리롤 전극조립체를 펼쳐 전해액 함침 여부 및 전극 손상여부를 확인하기 위해 사진을 찍어, 그 결과를 도 16에 나타내었다.
도 16을 참조하면, 메가소닉을 가한 실시예 1의 경우, 양극과 음극 사이에 있는 분리막 쪽에 전해액 침투가 잘 되어 있는 반면, 비교예 1의 경우, 가운데 내측은 전해액 함침이 잘 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있다. (가운데 Stripe 무늬 확인)
한편, 초음파 진동을 가한 비교예 2의 경우는 전극층이 많이 손상된 것을 알 수 있다. 결국 초음파는 전해액 침투는 잘되나, 전극층도 큰 충격을 받아 쓰기 어렵게 만든다. (도 16 아래 도면 참조)
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는, 예비 전지셀에 메가소닉 진동을 부가함으로써, 상기 진동으로 인한 전극조립체와 전해액의 직접적인 물리적 접촉을 증가시켜 전해액 함침성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 작은 크기의 기포 제거도 가능한 바, 전지셀 내부 기포를 효과적으로 제거 가능하므로, 전지셀의 용량 저하를 방지하고, 안전성도 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 또한 전지셀의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.
더욱이, 예비 전지셀을 액상 매체에 담지하고, 온도를 높이거나, 추가적인 진동을 부가하거나, 이동부를 추가, 진공을 인가하는 등의 방법으로, 더욱 작은 크기의 미세한 기포까지 효과적으로 제거할 수 있다.

Claims (15)

  1. 전지셀 내의 전극조립체에 대한 전해액의 함침(wetting)을 향상시키기 위한 장치로서,
    하나 이상의 예비 전지셀이 수납되는 전지셀 트레이(tray); 및
    상기 전지셀 트레이의 일측에 대면한 상태로 접해 있고, 예비 전지셀이 수납된 상태에서, 예비 전지셀에 메가소닉(Megasonic) 진동을 인가하는 가진부;
    를 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 트레이는 하부가 개방되어 있고, 상기가진부는 예비 전지셀에 직접 접촉된 상태에서 메가소닉 진동을 인가하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 트레이는 하부가 폐쇄되어 있고, 상기 가진부는 전지셀 트레이의 하면에 대면하여 고정되어 전지셀 트레이에 메가소닉 진동을 인가함으로써, 상기 메가소닉 진동이 예비 전지셀에 전달되는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 메가소닉 진동은 500 kHz 내지 3000kHz의 진동수를 가지는 진동인 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 전지셀은 전지셀 트레이에 수납된 상태에서 액상 매체에 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 액상 매체는 물(water)인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 액상 매체의 온도는 섭씨 20도 내지 70도인 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는 온도 조절부를 더 포함하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 온도 조절부는, 가진부에 포함되어 있는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 온도 조절부는, 상기 전지셀 트레이와 가진부를 내장하는 챔버이고, 상기 챔버는 온도 조절이 가능한 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는 예비 전지셀을 지면을 기준으로 수직 이동하게 하는 이동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전지셀 제조용 전해액 함침 장치는 전지셀 트레이의 상면에 진공 인가부를 포함하고, 예비 전지셀들에 추가적으로 진공이 가해지는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지셀 제조용 전해액 함침 장치를 이용한 전지셀의 제조 방법으로서,
    a) 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스 내부에 수납한 상태에서 밀봉함으로써 예비 전지셀을 제조하는 과정;
    b) 상기 예비 전지셀을 전해액 함침 장치의 전지셀 트레이에 수납하는 과정; 및
    c) 상기 예비 전지셀에 가진부를 통한 메가소닉(megasonic) 진동을 인가하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전지셀 트레이 내부에 액상 매체를 포함하고, 예비 전지셀은 액상 매체에 담지되는 전지셀 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 과정 c)는 예비 전지셀에 진공이 인가되며 수행되는 전지셀 제조 방법.
PCT/KR2020/003473 2019-03-18 2020-03-12 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법 WO2020189962A1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20773456.7A EP3800705B1 (en) 2019-03-18 2020-03-12 Electrolyte wetting device for manufacturing battery cell by using vibration, and battery cell manufacturing method using same
US17/253,297 US11605830B2 (en) 2019-03-18 2020-03-12 Apparatus for manufacturing battery cell to enhance electrode wetting through vibration, and manufacturing method of battery cell using the same
CN202080003420.9A CN112335119B (zh) 2019-03-18 2020-03-12 用于制造电池单体以通过振动增强电极润湿的设备以及使用该设备的电池单体的制造方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190030800A KR102548344B1 (ko) 2019-03-18 2019-03-18 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법
KR10-2019-0030800 2019-03-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020189962A1 true WO2020189962A1 (ko) 2020-09-24

Family

ID=72520434

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2020/003473 WO2020189962A1 (ko) 2019-03-18 2020-03-12 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11605830B2 (ko)
EP (1) EP3800705B1 (ko)
KR (1) KR102548344B1 (ko)
CN (1) CN112335119B (ko)
WO (1) WO2020189962A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115000651A (zh) * 2022-06-16 2022-09-02 中国第一汽车股份有限公司 一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120033647A (ko) * 2010-09-30 2012-04-09 주식회사 엘지화학 이차 전지의 전해액 함침 증진 장치 및 방법
JP2015197968A (ja) * 2014-03-31 2015-11-09 エリーパワー株式会社 含浸検査装置および含浸検査方法
KR20170027387A (ko) * 2015-09-02 2017-03-10 주식회사 엘지화학 함침의 향상을 위해 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치
KR20170059078A (ko) * 2015-11-20 2017-05-30 주식회사 엘지화학 공명 진동 인가부를 포함하는 전해액 함침 장치 및 이를 이용한 전지셀 제조 방법
WO2018165606A1 (en) * 2017-03-10 2018-09-13 Quantumscape Corporation Metal negative electrode ultrasonic charging

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7238085B2 (en) * 2003-06-06 2007-07-03 P.C.T. Systems, Inc. Method and apparatus to process substrates with megasonic energy
KR101334623B1 (ko) * 2010-12-02 2013-11-29 주식회사 엘지화학 원심력을 이용한 이차전지의 탈기 방법
KR20140006722A (ko) 2012-07-06 2014-01-16 주식회사 엘지화학 이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지, 전기화학소자
US9819048B2 (en) * 2012-11-08 2017-11-14 Lg Chem, Ltd. Method of manufacturing secondary battery
KR101942496B1 (ko) * 2015-08-20 2019-01-25 주식회사 엘지화학 진동을 이용한 전지셀 제조용 가스 트랩 제거 장치
KR102114263B1 (ko) 2016-01-22 2020-05-22 주식회사 엘지화학 함침의 향상을 위해 물리적 자극을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치
CN105742742B (zh) * 2016-03-09 2018-07-06 中航锂电（洛阳）有限公司 一种去除锂离子电池内部杂质气体的方法
CN105720311A (zh) * 2016-03-25 2016-06-29 双登集团股份有限公司 一种消除铅酸蓄电池内置电解液气泡的方法
KR101949973B1 (ko) * 2016-04-15 2019-02-20 주식회사 엘지화학 전해액 함침장치
CN106099158B (zh) * 2016-07-08 2018-08-24 湖南邦普汽车循环有限公司 废旧电动汽车动力电池梯次利用的方法及其便携式电源
KR102381443B1 (ko) 2017-02-13 2022-03-31 주식회사 엘지에너지솔루션 파우치형 이차전지의 제조방법
KR102265221B1 (ko) 2017-03-20 2021-06-16 (주)엘지에너지솔루션 전해액 함침성을 향상시키기 위한 전지셀의 제조방법
US20180301743A1 (en) * 2017-04-18 2018-10-18 Tubz, Llc Method and apparatus for manufacturing energy storage devices

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120033647A (ko) * 2010-09-30 2012-04-09 주식회사 엘지화학 이차 전지의 전해액 함침 증진 장치 및 방법
JP2015197968A (ja) * 2014-03-31 2015-11-09 エリーパワー株式会社 含浸検査装置および含浸検査方法
KR20170027387A (ko) * 2015-09-02 2017-03-10 주식회사 엘지화학 함침의 향상을 위해 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치
KR20170059078A (ko) * 2015-11-20 2017-05-30 주식회사 엘지화학 공명 진동 인가부를 포함하는 전해액 함침 장치 및 이를 이용한 전지셀 제조 방법
WO2018165606A1 (en) * 2017-03-10 2018-09-13 Quantumscape Corporation Metal negative electrode ultrasonic charging

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3800705A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102548344B1 (ko) 2023-06-26
EP3800705A4 (en) 2021-10-20
EP3800705A1 (en) 2021-04-07
CN112335119A (zh) 2021-02-05
KR20200111050A (ko) 2020-09-28
EP3800705B1 (en) 2024-10-09
US11605830B2 (en) 2023-03-14
CN112335119B (zh) 2023-04-07
US20210273255A1 (en) 2021-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018174451A1 (ko) 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
WO2018135757A1 (ko) 배터리 모듈의 제조 방법
WO2016056846A1 (ko) 안전성 및 작동 수명이 향상된 배터리 모듈
WO2019078453A1 (ko) 균열 방지 구조를 포함하는 파우치형 전지케이스 및 이의 제조방법
WO2015016564A1 (ko) 냉매 유로를 포함하는 전지모듈 어셈블리
KR101838315B1 (ko) 파우치형 리튬 이차전지의 제조 방법
WO2021153842A1 (ko) 디개싱 유닛을 구비한 가압 활성화 장치
KR20180128573A (ko) 쇼트 방지형 전고체 전지의 제조 방법
WO2020159081A1 (ko) 자석을 포함하는 가압 지그 및 이를 포함하는 전지모듈
WO2021054603A1 (ko) 이차전지 제조방법 및 이차전지
WO2019031702A1 (ko) 배터리 셀 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈
WO2019078447A1 (ko) 균열을 방지하기 위한 파우치형 이차전지용 실링 블록, 이를 사용하여 제조되는 파우치형 전지케이스 및 파우치형 전지케이스의 실링 방법
WO2017188533A1 (ko) 멤브레인을 갖는 이차 전지
WO2017030272A1 (ko) 진동을 이용한 전지셀 제조용 가스 트랩 제거 장치
WO2020189962A1 (ko) 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치 및 이를 이용하는 전지셀 제조방법
KR20130103372A (ko) 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법
WO2011046261A1 (ko) 가스켓 처짐이 방지된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지
WO2022098002A1 (ko) 디개싱 유닛을 구비한 가압 활성화 장치
WO2015190848A1 (ko) 전기화학 소자 및 이의 제조방법
WO2021033959A1 (ko) 원통형 전지
WO2013032082A1 (ko) 대용량 이차전지
WO2018131822A1 (ko) 단락 방지 부재를 포함하고 있는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치
WO2022124629A1 (ko) 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법
WO2021141311A1 (ko) 이차전지 제조장치 및 이차전지 제조방법
WO2017213377A1 (ko) 전기화학 커패시터

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20773456

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020773456

Country of ref document: EP

Effective date: 20210104

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE