WO2021045549A1 - 이차전지 및 그 이차전지의 제조방법 - Google Patents

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WO2021045549A1
WO2021045549A1 PCT/KR2020/011916 KR2020011916W WO2021045549A1 WO 2021045549 A1 WO2021045549 A1 WO 2021045549A1 KR 2020011916 W KR2020011916 W KR 2020011916W WO 2021045549 A1 WO2021045549 A1 WO 2021045549A1
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pressing
curved surface
secondary battery
exterior material
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유미정
이영훈
김민정
이우용
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주식회사 엘지화학
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery and a method of manufacturing the secondary battery, and more particularly, to a secondary battery having a smaller radius of curvature compared to the prior art, and a method of manufacturing the secondary battery.
  • the VR device In order for the VR device to be mounted on the head, it is common for the VR device to have a curved surface having a shape corresponding to the shape of a person's head. To this end, the secondary battery is also required to have a curved shape beyond the existing shape. Alternatively, in order to maximize the utility of the internal space of the electronic device, the shape of the secondary battery is required to have an atypical shape, such as a curved shape, out of the conventional shape.
  • the electrode and the separator are adhered to each other in the electrode assembly before being pressurized by the pressurizing press. Even if the electrode assembly is pressed by the pressurizing press to form a curved surface, the electrode and the separator are not pressed by the pressurizing press. There was a problem in that the curved surface was not maintained due to the adhesive force and returned to the state before being pressed. This problem tends to become worse as the radius of curvature of the curved surface formed by the press press decreases (that is, the more the electrode assembly is bent by the press press).
  • the problem to be solved by the present invention is to manufacture an electrode assembly in which a curved surface having a smaller radius of curvature compared to the prior art is formed and the shape of the curved surface can be kept constant even over time.
  • a method for manufacturing a secondary battery comprising a is provided.
  • a surface leveling step that is performed after the second pressing step and smoothing the curved surface formed on the exterior material formed in the second pressing step; It may further include.
  • the evenness of the curved surface formed on the exterior material may be improved.
  • the electrode assembly may have a lamination & stacking (L&S) structure in which a plurality of separate electrodes and a plurality of separate separators are alternately stacked in the thickness direction of the electrode assembly, or a plurality of electrodes including electrodes on a rectangular separation film. It may have a stacking & folding (S&F) structure in which the basic unit of is disposed and the separation film is folded.
  • L&S lamination & stacking
  • S&F stacking & folding
  • a pressure for pressing the electrode assembly may be 180kgf to 220kgf, and a temperature for heating the electrode assembly may be 45°C to 65°C.
  • a pressure for pressing the electrode assembly is 600kgf to 1500kgf
  • a temperature for heating the electrode assembly is 75 to 85 degrees Celsius
  • a time for pressing and heating the electrode assembly is 50 seconds to 110. It can be seconds.
  • a pressure for pressing the electrode assembly may be 950kgf to 1050kgf, and a time for pressing and heating the electrode assembly may be 55 seconds to 65 seconds.
  • a pressure for pressing the electrode assembly may be 900kgf to 1000kgf, and a time for pressing and heating the electrode assembly may be 55 seconds to 65 seconds.
  • a pressure for pressing the electrode assembly and the exterior material may be 200 kgf to 400 kgf, and a temperature for heating the electrode assembly and the exterior material may be 55 to 65 degrees Celsius.
  • a pressure for pressing the electrode assembly and the exterior material is 300 kgf to 400 kgf, and a temperature for heating the electrode assembly and the exterior material is 75 to 85 degrees Celsius, and the electrode assembly and the exterior material are pressed.
  • the heating time may be 8 seconds to 12 seconds.
  • a radius of curvature of the curved surface formed on the electrode assembly and the exterior material may be 70 mm to 150 mm, and more specifically 80 mm to 100 mm.
  • an electrode assembly having a structure in which electrodes and separators are alternately arranged and having a curved surface on an upper surface and a lower surface thereof;
  • a pouch-type exterior material that accommodates the electrode assembly and has a curved surface having a radius of curvature corresponding to a radius of curvature of the curved surface formed on the upper and lower surfaces of the electrode assembly, and having a cup having a concave shape;
  • the curvature radius of the curved surface formed on the electrode assembly and the curved surface formed on the exterior material is provided with a secondary battery of 70mm to 150mm, respectively.
  • an electrode assembly in which a curved surface having a radius of curvature smaller than that of the prior art is formed and the shape of the curved surface can be kept constant even over time.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a first basic unit of a secondary battery according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a second basic unit of a secondary battery according to the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing the structure of a third basic unit of a secondary battery according to the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view showing a state when an electrode assembly of a secondary battery according to an embodiment of the present invention is deployed.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of an electrode assembly of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a side view showing a state in which a curved surface is formed on a secondary battery after a second pressing step in a method for manufacturing a secondary battery according to the present invention.
  • FIG. 7 is a side view showing a state in which a surface leveling step is performed in a method for manufacturing a secondary battery according to the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a first basic unit of a secondary battery according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of a second basic unit of a secondary battery according to the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view showing the structure of the third basic unit of the secondary battery according to the present invention.
  • the secondary battery according to the present invention may include a first basic unit 110, a second basic unit 120, and a third basic unit 130 including an electrode and a separator.
  • Each of the first to third basic units 110, 120, and 130 may have a structure in which the cathode 142, the separator 146, and the anodes 144 and 144' are alternately disposed.
  • the first to third basic units may have a structure in which a cathode, a separator, and an anode are alternately stacked.
  • the first basic unit 110 has a five-layer structure in which a cathode 142, a separator 146, an anode 144, a separator 146, and a cathode 142 are alternately stacked from below. I can have it.
  • the second basic unit 120 is a five-layered anode 144, a separator 146, a cathode 142, a separator 146, and an anode 144 alternately disposed from below. It can have a structure.
  • the third basic unit 130 may have a five-layer structure in which an anode, a separator, a cathode, a separator, and an anode are alternately arranged from below.
  • one of the anodes disposed at both ends of the third basic unit 130 may be a single-sided anode 144 ′.
  • the electrode generally has a structure in which an electrode active material layer is coated on both surfaces of an electrode sheet.
  • the single-sided positive electrode according to the present invention has a structure in which a positive electrode active material layer is applied only to one surface of the positive electrode sheet. At this time, the side to which the positive electrode active material layer is applied among both surfaces of the positive electrode sheet of the single-sided positive electrode 144 ′ is the separator 146 and
  • the electrode assembly 10 includes a separation film 150 and first to third basic units 110, 120, and 130 disposed on the separation film 150. ) Can be included. As illustrated in FIG. 4, widths of the first to third basic units 110, 120, and 130 may be the same.
  • a first basic unit 110 is disposed at one end of the separation film 150, and a first base unit 110 is disposed in the direction of the other end opposite to the separation film 150.
  • the unit 110 and the two third basic units 130 may have a structure in which they are sequentially arranged.
  • the two third basic unit 130 may be disposed so that the single-sided anode contacts the separation film 150 (see FIG. 5 ).
  • the separation film You can have this folded structure.
  • a structure in which a plurality of basic units including electrodes are disposed on a separation film and then the separation film is folded will be referred to as a stacking & folding (S&F) structure.
  • the secondary battery according to the present invention has a structure in which electrodes and separators are alternately arranged and accommodates an electrode assembly having a curved surface on an upper surface and a lower surface, and an electrode assembly. It may include a pouch-type exterior material on which a curved surface having a corresponding radius of curvature is formed and a cup having a concave shape is formed.
  • the radius of curvature of the curved surface formed on the electrode assembly and the curved surface formed on the exterior material may be 70 mm to 150 mm, respectively. That is, the radius of curvature of the curved surface of the secondary battery according to the present invention may be 70mm to 150mm.
  • such a secondary battery may be set in the range of 70mm to 150mm so that it can be mounted on a VR device worn by a person on the head, but if it is a secondary battery mounted on a VR device suitable for a general adult's head, it may be set at 80mm to 100mm I will be able to.
  • 70mm may be mounted on a small VR device that can be worn by children or people with a small head
  • 150mm may be mounted on a large VR device that can be worn by a person with a large head.
  • the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention may include an electrode assembly preparation step of preparing an electrode assembly having a structure in which electrodes and separators are alternately arranged.
  • an electrode assembly preparation step of preparing an electrode assembly having a structure in which electrodes and separators are alternately arranged.
  • flat surfaces may be formed on the upper and lower surfaces of the electrode assembly prepared in the electrode assembly preparation step.
  • the electrode assembly prepared in the electrode assembly preparation step includes: (i) an electrode stack having a lamination & stacking (L&S) structure in which a plurality of separate electrodes and a plurality of separate separators are alternately stacked in the thickness direction of the electrode assembly. Or (ii) a plurality of basic units including electrodes are disposed on a rectangular separation film, and then the separation film may include an electrode stack having a stacking & folding (S&F) structure.
  • L&S lamination & stacking
  • S&F stacking & folding
  • a pressure for pressing the basic unit to manufacture the basic unit may be 180kgf to 220kgf, and a temperature for heating the basic unit may be 45°C to 55°C.
  • the electrode assembly prepared in the electrode assembly preparation step according to the present invention includes an electrode stack having an S&F structure
  • such an electrode stack is, when the separation film is folded after disposing the basic unit on the separation film.
  • the pressure for pressing the separation film and the basic unit may be 140kgf to 160kgf, and the heating temperature may be 65 to 75 degrees Celsius.
  • the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention may be for manufacturing a secondary battery having a curved surface having a smaller radius of curvature than in the related art.
  • the radius of curvature of the curved surface formed on the secondary battery manufactured by the secondary battery manufacturing method according to the present invention may be 70mm to 150mm, and more specifically 80mm to 100mm.
  • the secondary battery manufacturing method according to the present invention is a shape corresponding to the curved surface formed in the first pressing device on the top and bottom surfaces of the electrode assembly by pressing the upper and lower surfaces of the electrode assembly using a first pressing device having a curved surface. It may include a first pressing step of forming a curved surface having.
  • the first pressing step according to the present invention can also be regarded as a curving process. have.
  • the pressure for pressing the upper and lower surfaces of the electrode assembly may be 600kgf to 1500kgf, and the temperature for pressing the upper and lower surfaces of the electrode assembly is 75 to 85 degrees Celsius.
  • the time to pressurize and heat the electrode assembly may be 50 seconds to 110 seconds.
  • the pressure to press the upper and lower surfaces of the electrode assembly in the first pressing step is less than 600 kgf, a curved surface having a radius of curvature in the range to be manufactured by the present invention may not be formed in the secondary battery, and the electrode assembly in the first pressing step If the pressure to pressurize the upper and lower surfaces of the product exceeds 1500kgf, the air permeability may become too large.
  • Air permeability refers to the time that air passes through a certain component (ex. electrode assembly) under a predetermined condition, and the permeability of ions can be confirmed by measuring the air permeability of the electrode assembly. Therefore, the high air permeability of the electrode assembly means that it takes a long time for air to pass through the electrode assembly, in particular, the separator, and thus, the ion permeability of the electrode assembly is low. Therefore, when the air permeability of the electrode assembly is too large, the performance of the electrode assembly or the secondary battery may be deteriorated.
  • a temperature for pressing the upper and lower surfaces of the electrode assembly in the first pressing step may be 950 kgf to 1050 kgf. Alternatively, more preferably, a temperature for pressing the upper and lower surfaces of the electrode assembly in the first pressing step may be 900kgf to 1000kgf. Further, more preferably, the time for pressing the upper and lower surfaces of the electrode assembly in the first pressing step may be 55 seconds to 65 seconds. Alternatively, more preferably, the time for pressing the upper and lower surfaces of the electrode assembly in the first pressing step may be 95 seconds to 105 seconds.
  • the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention may further include an accommodating step of accommodating an electrode assembly having a curved surface in a pouch-type exterior material (hereinafter, referred to as “exterior material”) in which a concave cup is formed.
  • the shape of the cup formed on the exterior material may correspond to the shape of the electrode assembly on which the curved surface is formed by the first pressing step.
  • the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention is performed before the receiving step, and has a shape corresponding to the curved surface formed on the upper and lower surfaces of the electrode assembly in the first pressing step. It may further include a cup forming step of forming the formed cup on the exterior material.
  • the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention may further include a second pressing step of pressing the curved surface formed on the electrode assembly and the outer surface of the exterior material in the first pressing step using a second pressing device having a curved surface. . That is, the second pressing step may be pressing the curved surface formed on the secondary battery.
  • the second pressing step may be performed after the receiving step. That is, in the second pressing step, it can be understood that the curved surface formed on the electrode assembly accommodated in the casing is pressed together by pressing the outer surface of the casing after receiving the electrode assembly in the cup formed on the casing. Accordingly, according to the present invention, the shape of the curved surface of the electrode assembly formed in the first pressing step can be more firmly maintained by the second pressing step.
  • the pressure for pressing the electrode assembly and the exterior material may be 200 kgf to 400 kgf, and the temperature for pressing the upper and lower surfaces of the secondary battery may be 55 to 65 degrees Celsius.
  • the second pressing step may be performed by inserting the exterior material containing the electrode assembly between the first jig and the second jig having a curved surface, and then pressing the exterior material containing the electrode assembly by the first jig and the second jig. Accordingly, the second pressing step may also be regarded as a jig formation process.
  • 6 is a side view showing a state in which curved surfaces are formed on the secondary battery after the second pressing step in the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention, and curved surfaces (C) on the upper and lower surfaces of the secondary battery 1 after the first pressing step. ) Is formed.
  • the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention may further include a step of selecting a surface performed after the second pressing step and smoothing the curved surface formed on the exterior material formed in the second pressing step.
  • 7 is a side view showing a state in which a surface leveling step is performed in a method for manufacturing a secondary battery according to the present invention. 7 shows a state in which the cylindrical roller 20 rotates on the curved surface C formed on the upper surface of the secondary battery 1.
  • the cylindrical roller 20 rotates on the surface of the curved surface C formed on the secondary battery 1, so that the evenness of the curved surface formed on the secondary battery 1 may be improved. More preferably, in the surface leveling step, when the roller 20 rotates on the curved surface formed in the secondary battery 1, the cylindrical roller and the curved surface C formed in the secondary battery 1 do not slide with each other. I can. This may be understood as a force of static friction acting between the roller and the curved surface formed on the secondary battery in the surface leveling step.
  • the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention may further include a third pressing step of additionally pressing the curved surface formed on the electrode assembly and the curved surface formed on the exterior material using a third pressing device having a curved surface. That is, the third pressing step may be pressing the curved surface formed on the secondary battery. The third pressing step may be performed after the surface leveling step.
  • the evenness of the curved surface formed on the exterior material may be improved in the surface leveling step.
  • deformation may occur in the radius of curvature of the curved surface formed in the secondary battery.
  • the shape of the curved surface of the secondary battery formed in the first pressing step and the second pressing step is applied to the third pressing step. It can be kept more solid by step.
  • the pressure for pressing the upper and lower surfaces of the electrode assembly and the casing ie, the secondary battery
  • the temperature for pressing the upper and lower surfaces of the secondary battery may be 75 to 85 degrees Celsius
  • the time to pressurize and heat the upper and lower surfaces of the secondary battery may be 8 seconds to 12 seconds.
  • the third pressing step may be performed by inserting the secondary battery into a hot press jig heated to a high temperature, and then heating and pressing the secondary battery by the jig. Accordingly, the third pressing step may also be regarded as a hot press process.
  • the radius of curvature of the secondary battery after the third pressing step, that is, the hot pressing process may be 70 mm to 150 mm.
  • the curved surface of the area pressing the center area of the electrode assembly and the curved surface of the area pressing both ends of the electrode assembly The radius of curvature can be different.
  • the radius of curvature of the curved surface of the region pressing both ends of the electrode assembly in the first pressing device may be smaller than the radius of curvature of the curved surface of the region pressing the center region of the electrode assembly.
  • the electrode assembly formed with the curved surface by the pressing device tends to unfold again over time. This is due to the restoring force formed by adhesion formed between the electrode and the separator in the electrode assembly. This tendency is relatively greater at the end of the curved surface among the curved surfaces formed in the electrode assembly.
  • the curvature radius of the curved surface of the region pressing both ends and the center region of the electrode assembly may be different from each other to compensate for this tendency. That is, in the first pressing step, the curvature radius of the curved surface formed at both ends of the curved surface formed on the electrode assembly is made smaller, thereby reducing the deviation of the curvature radius in all areas of the curved surface.
  • a separation film, five first basic units, four second basic units, and two third basic units were prepared.
  • the first basic unit has a structure in which a cathode, a separator, an anode, a separator, and a cathode are sequentially stacked
  • the second basic unit has a structure in which an anode, a separator, a cathode, a separator and an anode are sequentially stacked
  • the third basic unit Has a structure in which a single-sided anode, a separator, a cathode, a separator, and an anode are sequentially stacked.
  • the pressure applied to the electrode and the separator to adhere the electrode and the separator was 200 kgf, and the temperature was 50 degrees Celsius.
  • the first to third basic units were disposed on the upper surface of the separation film.
  • a first basic unit was disposed at one end of the separation film, and an empty space equal to the width of the first to third basic units was formed in the direction of the other end opposite to the separation film, and then two second basic units and two first units.
  • a basic unit, two second basic units, two first basic units, and two third basic units were sequentially arranged.
  • the two third basic units were disposed so that the single-sided anode contacts the separation film.
  • the separation film was folded to prepare an electrode assembly.
  • a curved surface was formed on the electrode assembly by pressing the electrode assembly using a first pressing device having a curved surface (first pressing step).
  • first pressing step When the first pressing device presses the electrode assembly, the pressurization temperature is 80 degrees Celsius, the pressurization pressure is 600kgf, and the pressurization time is 60 seconds.
  • a secondary battery was manufactured by accommodating the electrode assembly in a sheet-shaped exterior material in which a cup having a shape corresponding to the shape of the electrode assembly having a curved surface by the first pressing device was formed.
  • the curved surface formed on the secondary battery was additionally pressed using a second pressing device having a curved surface (jig formation process).
  • the pressurizing temperature was 60 degrees Celsius
  • the pressurizing pressure was 300 kgf.
  • the curved surface formed on the secondary battery was additionally pressed using a third pressing device having a curved surface (hot press process).
  • the third pressurizing device pressurized the secondary battery
  • the pressurizing temperature was 80 degrees Celsius
  • the pressurizing pressure was 350 kgf
  • the pressurizing time was 10 seconds.
  • a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the pressing pressure when the first pressing device presses the electrode assembly was 900 kgf.
  • a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the pressing pressure when the first pressing device presses the electrode assembly was 1000 kgf.
  • a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the pressing pressure when the first pressing device presses the electrode assembly was 1500 kgf.
  • a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the pressing time when the first pressing device presses the electrode assembly was 100 seconds.
  • the radius of curvature of the curved surface formed in the secondary batteries manufactured according to Examples 1 to 5 was measured. After photographing the image of the secondary battery using a 3D measuring device of Keyence, the positions of the three points were measured by setting both ends and the middle point of the secondary battery, and then the radius of curvature was measured based on the three points.
  • FIG. 8 The result of measuring the radius of curvature of the curved surface formed in the secondary battery manufactured according to Examples 1 to 4 is shown in FIG. 8, and the radius of curvature of the curved surface formed in the secondary battery manufactured according to Examples 1 and 5 The measurement result is shown in FIG. 9.
  • the air permeability of the secondary batteries prepared according to Examples 1 and 5 was measured.
  • the results of measuring the air permeability of the secondary batteries manufactured according to Examples 1 to 4 are shown in FIG. 10, and the results of measuring the air permeability of the secondary batteries manufactured according to Examples 1 and 5 are shown in FIG. Is shown.
  • the air permeability was measured by calculating the time (seconds) it takes for 100 ml of air to pass through the secondary battery.
  • the air permeability of the secondary battery increases as the pressure applied to the electrode assembly in the first pressing step increases. That is, it can be seen that the performance of the secondary battery decreases as the pressure applied to the electrode assembly in the first pressing step increases. In particular, it can be seen that the air permeability increases rapidly when the pressure is 1500 kgf (Example 4) compared to the case where the pressure is 1000 kgf (Example 3).
  • Example 1 when comparing Example 1 and Example 5, when the pressing time in the first pressing step is 60 seconds (that is, in Example 1), the curvature radius of the secondary battery is 100 seconds in the first pressing step. It can be seen that it is significantly larger than the radius of curvature of the secondary battery in the case (ie, Example 5).
  • the air permeability of the secondary battery when the pressing time in the first pressing step is 100 seconds (that is, Example 5) is that of the secondary battery when the pressing time in the first pressing step is 60 seconds (that is, Example 1). It can be seen that there is no significant difference from the air permeability (that is, it can be confirmed that the air permeability in both Examples 1 and 5 is around 250 seconds).

Abstract

이차전지 및 그 이차전지의 제조방법이 개시된다. 본 발명은 종래에 비해 작은 곡률 반경을 갖는 이차전지를 제조하기 위한 것이다.

Description

이차전지 및 그 이차전지의 제조방법
본 출원은 2019년 9월 5일자 한국특허출원 제10-2019-0110276호 및 2020년 9월 3일자 한국특허출원 제10-2020-0112507호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차전지 및 그 이차전지의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 종래에 비해 작은 곡률 반경을 갖는 이차전지 및 그 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
전자기기에 대한 수요 및 전자기기에 대한 수요자의 요구가 점차 다양해짐에 따라 전자기기에 장착되며 반복적인 충전 및 방전이 가능한 이차전지(secondary battery)에 요구되는 사양(specification) 역시 다양해지고 있다.
예를 들어, 최근 사용자가 전자기기를 머리에 장착한 상태로 사용하는 VR 기기에 대한 수요가 증가하고 있다. VR 기기가 머리에 장착되기 위해 VR 기기에는 사람의 머리 형상에 대응되는 형상을 갖는 곡면이 형성되는 것이 일반적인데, 이를 위해 이차전지 역시 기존의 형상을 벗어나 곡면 형상을 가질 것이 요구된다. 또는, 전자기기의 내부 공간의 활용성을 극대화하기 위해 이차전지의 형상이 기존의 정형적인 형상을 벗어나 곡면 형상 등의 비정형적인 형상을 가질 것이 요구된다.
곡면이 형성되는 이차전지를 제조하기 위해서는 곡면을 포함하는 가압 프레스를 이용하여 전극 조립체의 외부면을 가압하는 과정이 필요한 것이 일반적이다. 그러나, 종래 기술에 따르면 가압 프레스를 이용하여 전극 조립체의 외부면을 가압하여 곡면을 형성하는 과정에서 여러 가지 문제점이 있었다.
예를 들어, 가압 프레스에 의해 가압되기 전의 전극 조립체 내에서 전극과 분리막은 서로 접착된 상태인데, 가압 프레스로 전극 조립체를 가압하여 곡면이 형성되더라도, 가압 프레스에 의해 가압되기 전 전극과 분리막과의 접착력에 의해 곡면이 유지되지 못하고 가압되기 전의 상태로 돌아가는 문제점이 있었다. 이러한 문제점은 가압 프레스에 의해 형성되는 곡면의 곡률 반경이 작아질수록(즉, 가압 프레스에 의해 전극 조립체가 많이 휠수록) 심해지는 경향이 있었다.
또한, 전극과 분리막을 교대로 적층하여 제조되는 적층형 전극 조립체를 가압하여 곡면이 형성되는 경우, 적층형 전극 조립체의 곡면 형상을 유지하기 위해서 전극 조립체를 지지하는 구성이 없으므로, 전극 조립체 내의 전극과 분리막이 박리되는 문제점이 있었다. 이러한 문제점 역시 가압 프레스에 의해 형성되는 곡면의 곡률 반경이 작아질수록 심해지는 경향이 있었다.
상기의 문제점들은 종래에 비해 작은 곡률 반경을 갖는 곡면이 형성된 전극 조립체 및 이차전지를 제조하는데 장애로 작용하였다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래에 비해 작은 곡률 반경을 갖는 곡면이 형성되면서 시간이 지더라도 그러한 곡면의 형상이 일정하게 유지될 수 있는 전극 조립체를 제조하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 가지며 평평한 상면 및 하면이 형성된 전극 조립체를 준비하는 전극 조립체 준비 단계; 곡면이 형성된 제1 가압 장치를 이용하여 상기 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압함으로써, 상기 전극 조립체의 상면 및 하면에 상기 제1 가압 장치에 형성된 곡면에 대응되는 형상을 갖는 곡면을 형성하는 제1 가압 단계; 곡면이 형성된 상기 전극 조립체를 오목한 형상의 컵(cup)이 형성된 파우치형 외장재 내에 수용하는 수용 단계; 및 곡면이 형성된 제2 가압 장치를 이용하여 상기 제1 가압 단계에서 상기 전극 조립체에 형성된 곡면 및 상기 외장재의 외면을 가압하는 제2 가압 단계; 를 포함하는 이차전지 제조방법이 제공된다.
상기 수용 단계 이전에 이루어지고, 상기 제1 가압 단계에서 상기 전극 조립체의 상면 및 하면에 형성된 곡면과 대응되는 형상을 갖는 곡면이 형성된 상기 컵을 상기 외장재에 형성하는 컵 형성 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 가압 단계 이후에 이루어지고, 상기 제2 가압 단계에서 형성된 상기 외장재에 형성된 곡면의 표면을 고르게 하는 표면 고르기 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기 표면 고르기 단계에서, 원통 형상의 롤러가 상기 외장재에 형성된 곡면의 표면 상에서 회전함으로써, 상기 외장재에 형성된 곡면의 표면의 고르기가 향상될 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 전극 조립체의 두께 방향으로 복수의 별개의 전극과 복수의 별개의 분리막이 교대로 적층된 L&S(lamination & stacking) 구조를 가지거나, 장방형의 분리 필름 상에 전극을 포함하는 복수의 기본 단위체가 배치되고 상기 분리 필름이 폴딩된 S&F(stacking & folding) 구조를 가질 수 있다.
상기 전극 조립체 준비 단계에서, 상기 전극 조립체를 가압하는 압력은 180kgf 내지 220kgf이고, 상기 전극 조립체를 가열하는 온도는 섭씨 45도 내지 65도일 수 있다.
상기 제1 가압 단계에서, 상기 전극 조립체를 가압하는 압력은 600kgf 내지 1500kgf이고, 상기 전극 조립체를 가열하는 온도는 섭씨 75도 내지 85도이고, 상기 전극 조립체를 가압 및 가열하는 시간은 50초 내지 110초일 수 있다.
상기 제1 가압 단계에서, 상기 전극 조립체를 가압하는 압력은 950kgf 내지 1050kgf이고, 상기 전극 조립체를 가압 및 가열하는 시간은 55초 내지 65초일 수 있다.
상기 제1 가압 단계에서, 상기 전극 조립체를 가압하는 압력은 900kgf 내지 1000kgf이고, 상기 전극 조립체를 가압 및 가열하는 시간은 55초 내지 65초일 수 있다.
상기 제2 가압 단계에서, 상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가압하는 압력은 200kgf 내지 400kgf이고, 상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가열하는 온도는 섭씨 55도 내지 65도일 수 있다.
곡면이 형성된 제3 가압 장치를 이용하여 상기 제2 가압 단계에서 형성된, 상기 전극 조립체에 형성된 곡면 및 상기 외장재에 형성된 곡면을 추가로 가압하는 제3 가압 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 가압 단계에서, 상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가압하는 압력은 300kgf 내지 400kgf이고, 상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가열하는 온도는 섭씨 75도 내지 85도이고, 상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가압 및 가열하는 시간은 8초 내지 12초일 수 있다.
상기 제3 가압 단계 이후에, 상기 전극 조립체 및 상기 외장재에 형성된 곡면의 곡률 반경은 70mm 내지 150mm일 수 있고, 더 상세하게는 80mm 내지 100mm일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 가지며 상면과 하면에 곡면이 형성된 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 전극 조립체의 상면 및 하면에 형성된 곡면의 곡률 반경에 대응되는 곡률 반경을 갖는 곡면이 형성되되 오목한 형상을 갖는 컵(cup)이 형성되는 파우치형 외장재; 를 포함하고, 상기 전극 조립체에 형성된 곡면 및 상기 외장재에 형성된 곡면의 곡률 반경은 각각 70mm 내지 150mm인 이차전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 종래에 비해 작은 곡률 반경을 갖는 곡면이 형성되면서 시간이 지더라도 그러한 곡면의 형상이 일정하게 유지될 수 있는 전극 조립체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 제1 기본 단위체의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이차전지의 제2 기본 단위체의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지의 제3 기본 단위체의 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 이차전지의 전극 조립체가 전개되었을 때의 모습을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 이차전지의 전극 조립체의 구조를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 이차전지 제조방법에서 제2 가압 단계 이후에 이차전지에 곡면이 형성된 모습을 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 이차전지 제조방법에서 표면 고르기 단계가 이루어지는 모습을 도시한 측면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4에 대한 실험예 1의 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4에 대한 실험예 2의 결과를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 5에 대한 실험예 1의 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 5에 대한 실험예 2의 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일 예에 따른 이차전지 및 이차전지 제조방법을 설명하도록 한다.
이차전지
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 제1 기본 단위체의 구조를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이차전지의 제2 기본 단위체의 구조를 도시한 단면도이다. 그리고, 도 3은 본 발명에 따른 이차전지의 제3 기본 단위체의 구조를 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 이차전지는 전극과 분리막을 포함하는 제1 기본 단위체(110), 제2 기본 단위체(120) 및 제3 기본 단위체(130)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 기본 단위체(110, 120, 130)는 각각 음극(142), 분리막(146) 및 양극(144, 144')이 교대로 배치된 구조를 가질 수 있다. 보다 상세하게 제1 내지 제3 기본 단위체는 음극, 분리막, 양극이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 제1 기본 단위체(110)는 아래에서부터 음극(142), 분리막(146), 양극(144), 분리막(146) 및 음극(142)이 교대로 적층된 5층 구조를 가질 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 기본 단위체(120)는 아래에서부터 양극(144), 분리막(146), 음극(142), 분리막(146) 및 양극(144)이 교대로 배치된 5층 구조를 가질 수 있다.
제2 기본 단위체(120)의 경우와 유사하게 제3 기본 단위체(130)도 아래에서부터 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 교대로 배치된 5층 구조를 가질 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 제3 기본 단위체(130)의 양 끝부에 배치된 양극 중 하나는 단면 양극(144')일 수 있다.
일반적으로 전극은 전극 시트의 양면에 전극 활물질층이 도포된 구조를 갖는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명에 따른 단면 양극은 양극 시트의 일면에만 양극 활물질층이 도포된 구조를 가진다. 이때, 단면 양극(144')의 양극 시트의 양면 중 양극 활물질층이 도포되는 면은 분리막(146)과
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 따른 전극 조립체(10)는 분리 필름(150) 및 분리 필름(150) 상에 배치된 제1 내지 제3 기본 단위체(110, 120, 130)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 기본 단위체(110, 120, 130)의 폭들은 서로 동일할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 전극 조립체(10)를 전개하였을 때, 분리 필름(150)의 일 끝부에는 제1 기본 단위체(110)가 배치되고, 분리 필름(150)의 반대쪽 타 끝부 방향으로 제1 내지 제3 기본 단위체의 폭 만큼의 빈 공간이 형성된 후, 2개의 제2 기본 단위체(120), 2개의 제1 기본 단위체(110), 2개의 제2 기본 단위체(120), 2개의 제1 기본 단위체(110), 그리고, 2개의 제3 기본 단위체(130)가 순차적으로 배치된 구조를 가질 수 있다. 한편, 2개의 제3 기본 단위체(130)는 단면 양극이 분리 필름(150)과 맞닿도록 배치될 수 있다(도 5 참조).
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 전극 조립체(10)는 분리 필름(150) 상에 제1 내지 제3 기본 단위체(110, 120, 130)를 배치한 후 분리 필름이 폴딩된 구조를 가질 수 있다. 이하, 본 명세서에서는, 분리 필름 상에 전극을 포함하는 복수의 기본 단위체가 배치된 후 분리 필름이 폴딩된 구조를 S&F(stacking & folding) 구조라 부르기로 한다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지는, 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 가지며 상면과 하면에 곡면이 형성된 전극 조립체, 및 전극 조립체를 수용하며 전극 조립체의 상면 및 하면에 형성된 곡면의 곡률 반경에 대응되는 곡률 반경을 갖는 곡면이 형성되되 오목한 형상을 갖는 컵(cup)이 형성되는 파우치형 외장재를 포함할 수 있다. 이때, 전극 조립체에 형성된 곡면 및 외장재에 형성된 곡면의 곡률 반경은 각각 70mm 내지 150mm일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 이차전지의 곡면의 곡률 반경은 70mm 내지 150mm일 수 있다.
참고로, 이러한 이차전지는 사람이 머리에 쓰는 VR 기기에 탑재될 수 있게 상기 70mm 내지 150mm 범위로 정해질 수 있되, 일반적인 성인의 머리에 맞는 VR기기에 탑재되는 이차전지라면 80mm 내지 100mm 정도로 정해질 수 있을 것이다. 그리고, 70mm 는 아동용 또는 머리가 작은 사람이 착용할 수 있는 소형 VR 기기에 탑재될 수 있을 것이며, 150mm 는 머리가 큰 사람이 착용할 수 있는 대형 VR 기기에 탑재될 수 있을 것이다.
이차전지 제조방법
본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 가지는 전극 조립체를 준비하는 전극 조립체 준비 단계를 포함할 수 있다. 이때, 전극 조립체 준비 단계에서 준비되는 전극 조립체의 상면 및 하면에는 평평한 면이 형성될 수 있다.
이때, 전극 조립체 준비 단계에서 준비되는 전극 조립체는, (i) 전극 조립체의 두께 방향으로 복수의 별개의 전극과 복수의 별개의 분리막이 교대로 적층된 L&S(lamination & stacking) 구조를 갖는 전극 적층체를 포함하거나, (ii) 장방형의 분리 필름 상에 전극을 포함하는 복수의 기본 단위체가 배치된 후 분리 필름이 폴딩된 S&F(stacking & folding) 구조를 갖는 전극 적층체를 포함할 수 있다.
또한, 전극 조립체 준비 단계에서 기본 단위체를 제조하기 위해 기본 단위체를 가압하는 압력은 180kgf 내지 220kgf이고, 기본 단위체를 가열하는 온도는 섭씨 45도 내지 55도일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전극 조립체 준비 단계에서 준비되는 전극 조립체가 S&F 구조를 갖는 전극 적층체를 포함하는 경우, 그러한 전극 적층체는, 분리 필름 상에 기본 단위체를 배치한 후 분리 필름을 폴딩할 때, 분리 필름 및 기본 단위체를 가압하는 압력은 140kgf 내지 160kgf일 수 있고, 가열하는 온도는 섭씨 65도 내지 75도일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 제조방법은 종래에 비해 작은 곡률 반경을 갖는 곡면이 형성된 이차전지를 제조하기 위한 것일 수 있다. 본 발명에 따른 이차전지 제조방법에 의해 제조된 이차전지에 형성된 곡면의 곡률 반경은 70mm 내지 150mm 일 수 있고, 더 상세하게는 80mm 내지 100mm일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 곡면이 형성된 제1 가압 장치를 이용하여 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압함으로써, 전극 조립체의 상면 및 하면에 제1 가압 장치에 형성된 곡면에 대응되는 형상을 갖는 곡면을 형성하는 제1 가압 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 이차전지 제조방법에서 제1 가압 단계에 의해 전극 조립체의 상면 및 하면에 처음으로 곡면(curved surface)이 형성되므로, 본 발명에 따른 제1 가압 단계는 커빙(curving) 공정이라고도 볼 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 제조방법의 제1 가압 단계에서, 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 압력은 600kgf 내지 1500kgf일 수 있고, 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 온도는 섭씨 75도 내지 85도일 수 있고, 전극 조립체를 가압 및 가열하는 시간은 50초 내지 110초일 수 있다.
제1 가압 단계에서 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 압력이 600kgf 미만인 경우에는 본 발명이 제조하고자 하는 범위의 곡률 반경을 갖는 곡면이 이차전지에 형성되지 않을 수 있고, 제1 가압 단계에서 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 압력이 1500kgf를 초과하는 경우에는 통기도가 지나치게 커질 수 있다.
통기도란 소정의 조건 하에서 공기가 어떤 구성(ex. 전극 조립체)을 통과하는 시간을 나타낸 것으로, 전극 조립체의 통기도를 측정함으로써 이온의 침투성을 확인할 수 있다. 따라서, 전극 조립체의 통기도가 크다는 것은 공기가 전극 조립체, 특히, 분리막을 통과하는 데 오랜 시간이 걸린다는 것을 의미하므로, 전극 조립체의 이온 투과성이 낮다는 것을 의미한다. 따라서, 전극 조립체의 통기도가 지나치게 큰 경우 전극 조립체, 또는, 이차전지의 성능이 저하될 수 있다.
보다 바람직하게 제1 가압 단계에서 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 온도는 950kgf 내지 1050kgf일 수 있다. 또는, 보다 바람직하게는, 제1 가압 단계에서 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 온도는 900kgf 내지 1000kgf일 수 있다. 또한, 보다 바람직하게 제1 가압 단계에서 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 시간은 55초 내지 65초일 수 있다. 또는, 보다 바람직하게 제1 가압 단계에서 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 시간은 95초 내지 105초일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 곡면이 형성된 전극 조립체를 오목한 형상의 컵(cup)이 형성된 파우치형 외장재(이하, '외장재') 내에 수용하는 수용 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 외장재에 형성되는 컵의 형상은 제1 가압 단계에 의해 곡면이 형성된 전극 조립체의 형상에 대응될 수 있다.
또한, 외장재에 컵을 형성하기 위해, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은 상기 수용 단계 이전에 이루어지고, 제1 가압 단계에서 전극 조립체의 상면 및 하면에 형성된 곡면과 대응되는 형상을 갖는, 곡면이 형성된 컵을 외장재에 형성하는 컵 형성 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 곡면이 형성된 제2 가압 장치를 이용하여 상기 제1 가압 단계에서 전극 조립체에 형성된 곡면 및 외장재의 외면을 가압하는 제2 가압 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 제2 가압 단계는 이차전지에 형성된 곡면을 가압하는 것일 수 있다.
제2 가압 단계는 상기 수용 단계 이후에 이루어질 수 있다. 즉, 제2 가압 단계에서, 외장재에 형성된 컵에 전극 조립체를 수용한 후 외장재의 외면을 가압함으로써, 상기 외장재 내에 수용된 전극 조립체에 형성된 곡면도 함께 가압되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 제1 가압 단계에서 형성된 전극 조립체의 곡면의 형상이 제2 가압 단계에 의해 보다 견고하게 유지될 수 있다.
제2 가압 단계에서, 전극 조립체 및 외장재(즉, 이차전지)를 가압하는 압력은 200kgf 내지 400kgf일 수 있고, 이차전지의 상면 및 하면을 가압하는 온도는 섭씨 55도 내지 65도일 수 있다.
제2 가압 단계는, 곡면이 형성된 제1 지그 및 제2 지그 사이에 전극 조립체가 수용된 외장재를 삽입한 후 제1 지그 및 제2 지그가 전극 조립체가 수용된 외장재를 가압함으로써 이루어질 수 있다. 따라서, 제2 가압 단계는 지그 포메이션(jig formation) 공정이라고도 볼 수 있다. 도 6은 본 발명에 따른 이차전지 제조방법에서 제2 가압 단계 이후에 이차전지에 곡면이 형성된 모습을 도시한 측면도로서, 제1 가압 단계 이후에 이차전지(1)의 상면 및 하면에 곡면(C)이 형성된 경우가 도시되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 제2 가압 단계 이후에 이루어지고, 상기 제2 가압 단계에서 형성된, 외장재에 형성된 곡면의 표면을 고르게 하는 표면 고르기 단계를 더 포함할 수 있다. 도 7은 본 발명에 따른 이차전지 제조방법에서 표면 고르기 단계가 이루어지는 모습을 도시한 측면도이다. 도 7에는 이차전지(1)의 상면에 형성된 곡면(C) 상을 원통 형상의 롤러(20)가 회전하는 모습이 도시되어 있다.
상기 표면 고르기 단계에서는, 원통 형상의 롤러(20)가 이차전지(1)에 형성된 곡면(C)의 표면 상에서 회전함으로써 이차전지(1) 에 형성된 곡면의 표면의 고르기가 향상될 수 있다. 보다 바람직하게 표면 고르기 단계에서, 롤러(20)가 이차전지(1)에 형성된 곡면의 표면 상에서 회전할 때, 원통 형상의 롤러와 이차전지(1)에 형성된 곡면(C)의 표면 상에는 서로 미끄러지지 않을 수 있다. 이는, 표면 고르기 단계에서 롤러와 이차전지에 형성된 곡면의 표면 간에는 정지 마찰력(force of static friction)이 작용하는 것으로 이해될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 곡면이 형성된 제3 가압 장치를 이용하여 전극 조립체에 형성된 곡면 및 외장재에 형성된 곡면을 추가로 가압하는 제3 가압 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 제3 가압 단계는 이차전지에 형성된 곡면을 가압하는 것일 수 있다. 제3 가압 단계는 상기 표면 고르기 단계 이후에 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이 표면 고르기 단계에서 외장재에 형성된 곡면의 표면의 고르기가 향상될 수 있다. 그러나, 이 과정에서 원통 형상의 롤러가 이차전지에 형성된 곡면의 표면을 가압하기 때문에, 이차전지에 형성된 곡면의 곡률 반경에 변형이 일어날 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 표면 고르기 단계 이후에 제3 가압 단계에 의해 이차전지에 형성된 곡면을 추가적으로 가압하게 되므로, 제1 가압 단계 및 제2 가압 단계에서 형성된 이차전지의 곡면의 형상이 제3 가압 단계에 의해 보다 견고하게 유지될 수 있다.
제3 가압 단계에서, 전극 조립체 및 외장재(즉, 이차전지)의 상면 및 하면을 가압하는 압력은 300kgf 내지 400kgf일 수 있고, 이차전지의 상면 및 하면을 가압하는 온도는 섭씨 75도 내지 85도일 수 있고, 이차전지의 상면 및 하면을 가압 및 가열하는 시간은 8초 내지 12초일 수 있다.
제3 가압 단계는, 고온으로 가열된 핫 프레스 지그(hot press jig) 내에 이차전지를 삽입한 후 지그가 이차전지를 가열 및 가압함으로써 이루어질 수 있다. 따라서, 제3 가압 단계는 핫 프레스(hot press) 공정이라고도 볼 수 있다. 상기 제3 가압 단계, 즉, 핫 프레스 공정 이후의 이차전지의 곡률 반경은 70mm 내지 150mm일 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면 제1 가압 단계에서 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압하는 제1 가압 장치에서, 전극 조립체의 가운데 영역을 가압하는 영역의 곡면과 전극 조립체의 양 끝부를 가압하는 영역의 곡면의 곡률 반경은 서로 다를 수 있다. 보다 상세하게, 제1 가압 장치에서 전극 조립체의 양 끝부를 가압하는 영역의 곡면의 곡률 반경은 전극 조립체의 가운데 영역을 가압하는 영역의 곡면의 곡률 반경보다 작을 수 있다.
가압 장치에 의해 곡면이 형성된 전극 조립체는 시간이 지남에 따라 다시 펴지려고 하는 경향이 있다. 이는 전극 조립체 내 전극과 분리막 간에 형성된 접착에 의해 형성된 복원력 때문이다. 이러한 경향은 전극 조립체에 형성된 곡면 중에서도 곡면의 끝부에서 상대적으로 더욱 크다.
제1 가압 장치에서 전극 조립체의 양 끝부와 가운데 영역을 가압하는 영역의 곡면의 곡률 반경을 각각 서로 다르게 하는 것은 이러한 경향을 상쇄하기 위한 것일 수 있다. 즉, 제1 가압 단계에서, 전극 조립체에 형성된 곡면에서 양 끝부에 형성된 곡면의 곡률 반경이 더 작도록 함으로써 곡면의 전 영역에서 곡률 반경의 편차를 줄일 수 있다.
실시예 1
분리 필름, 5개의 제1 기본 단위체, 4개의 제2 기본 단위체 그리고 2개의 제3 기본 단위체를 준비하였다. 제1 기본 단위체는 음극, 분리막, 양극, 분리막 및 음극이 순차적으로 적층된 구조를 가졌고, 제2 기본 단위체는 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 순차적으로 적층된 구조를 가졌고, 제3 기본 단위체는 단면 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 순차적으로 적층된 구조를 가졌다.
제1 내지 제3 기본 단위체를 제조하는 과정에서 전극과 분리막을 접착하기 위해 전극과 분리막에 가해진 압력은 200kgf, 온도는 섭씨 50도였다.
이후, 분리 필름의 상면에 제1 내지 제3 기본 단위체를 배치하였다. 분리 필름의 일 끝부에 제1 기본 단위체가 배치되었고, 분리 필름의 반대쪽 타 끝부 방향으로 제1 내지 제3 기본 단위체의 폭만큼의 빈 공간이 형성된 후, 2개의 제2 기본 단위체, 2개의 제1 기본 단위체, 2개의 제2 기본 단위체, 2개의 제1 기본 단위체, 그리고, 2개의 제3 기본 단위체가 순차적으로 배치되었다. 이때, 2개의 제3 기본 단위체는 단면 양극이 분리 필름과 맞닿도록 배치되었다.
분리 필름을 상기와 같이 배치한 후, 분리 필름을 폴딩하여 전극 조립체를 제조하였다.
이후, 곡면이 형성된 제1 가압 장치를 이용하여 전극 조립체를 가압하여 전극 조립체에 곡면을 형성하였다(제1 가압 단계). 제1 가압 장치가 전극 조립체를 가압할 때의 가압 온도는 섭씨 80도였고, 가압 압력은 600kgf였고, 가압 시간은 60초였다.
이후, 제1 가압 장치에 의해 곡면이 형성된 전극 조립체의 형상에 대응되는 형상을 갖는 컵이 형성된 시트형 외장재에 전극 조립체를 수용하여 이차전지를 제조하였다.
이후, 곡면이 형성된 제2 가압 장치를 이용하여 이차전지에 형성된 곡면을 추가로 가압하였다(jig formation 공정). 제2 가압 장치가 이차전지를 가압할 때의 가압 온도는 섭씨 60도였고, 가압 압력은 300kgf였다.
이후, 곡면이 형성된 제3 가압 장치를 이용하여 이차전지에 형성된 곡면을 추가로 가압하였다(hot press 공정). 제3 가압 장치가 이차전지를 가압할 때의 가압 온도는 섭씨 80도였고, 가압 압력은 350kgf였고, 가압 시간은 10초였다.
실시예 2
제1 가압 장치가 전극 조립체를 가압할 때의 가압 압력이 900kgf인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.
실시예 3
제1 가압 장치가 전극 조립체를 가압할 때의 가압 압력이 1000kgf인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.
실시예 4
제1 가압 장치가 전극 조립체를 가압할 때의 가압 압력이 1500kgf인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.
실시예 5
제1 가압 장치가 전극 조립체를 가압할 때의 가압 시간이 100초인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.
실험예 1
실시예 1 내지 실시예 5에 따라 제조된 이차전지에 형성된 곡면의 곡률 반경을 측정하였다. Keyence 사의 3D 측정기를 이용하여 이차전지의 이미지를 촬영한 후, 이차전지의 양 끝 지점 및 가운데 지점을 설정하여 세 지점의 위치를 측정한 후, 상기 세 지점을 토대로 곡률 반경을 측정하였다.
실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 이차전지에 형성된 곡면의 곡률 반경을 측정한 결과가 도 8에 도시되어 있고, 실시예 1 및 실시예 5에 따라 제조된 이차전지에 형성된 곡면의 곡률 반경을 측정한 결과가 도 9에 도시되어 있다.
실험예 2
실시예 1 및 실시예 5에 따라 제조된 이차전지의 통기도를 측정하였다. 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 이차전지의 통기도를 측정한 결과가 도 10에 도시되어 있고, 실시예 1 및 실시예 5에 따라 제조된 이차전지의 통기도를 측정한 결과가 도 11에 도시되어 있다. 통기도는, 100ml의 공기가 이차전지를 통과하는 데 걸리는 시간(초)을 계산함으로써 측정되었다.
실험예 1 및 실험예 2를 살펴보면 다음과 같은 결과를 도출할 수 있다.
제1 가압 단계에서 전극 조립체에 가해지는 압력이 증가할수록 이차전지의 곡률 반경이 작아지는 경향을 가짐을 알 수 있다. 즉, 제1 가압 단계에서 전극 조립체에 가해지는 압력이 증가할수록 이차전지에 형성된 곡면의 형상이 잘 유지됨을 확인할 수 있다. 그러나, 그 압력이 1000kgf인 경우(실시예 3)와 1500kgf(실시예 4)인 경우를 비교하면 이차전지에 형성된 곡면의 곡률 반경의 차이가 크지 않음을 알 수 있다.
반면, 제1 가압 단계에서 전극 조립체에 가해지는 압력이 증가할수록 이차전지의 통기성은 증가함을 알 수 있다. 즉, 제1 가압 단계에서 전극 조립체에 가해지는 압력이 증가할수록 이차전지의 성능은 저하됨을 알 수 있다. 특히, 압력이 1000kgf인 경우(실시예 3)와 비교하여 압력이 1500kgf인 경우(실시예 4) 통기도가 급격히 증가함을 확인할 수 있다.
한편, 실시예 1과 실시예 5를 비교하면, 제1 가압 단계에서의 가압 시간이 60초인 경우(즉, 실시예 1)의 이차전지의 곡률 반경이 제1 가압 단계에서의 가압 시간이 100초인 경우(즉, 실시예 5)의 이차전지의 곡률 반경보다 현저하게 큰 것을 확인할 수 있다. 반면, 제1 가압 단계에서의 가압 시간이 100초인 경우(즉, 실시예 5)의 이차전지의 통기도는 제1 가압 단계에서의 가압 시간이 60초인 경우(즉, 실시예 1)의 이차전지의 통기도와 큰 차이가 나지 않음을 확인할 수 있다(즉, 실시예 1 및 실시예 5 모두 통기도는 250초 내외임을 확인할 수 있음).
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
1 : 이차전지
10 : 전극 조립체
110 : 제1 기본 단위체
120 : 제2 기본 단위체
130 : 제3 기본 단위체
142 : 음극
144 : 양극
144' : 단면 양극
146 : 분리막
150 : 분리 필름
20 : 롤러
C : 곡면

Claims (15)

  1. 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 가지며 평평한 상면 및 하면이 형성된 전극 조립체를 준비하는 전극 조립체 준비 단계;
    곡면이 형성된 제1 가압 장치를 이용하여 상기 전극 조립체의 상면 및 하면을 가압함으로써, 상기 전극 조립체의 상면 및 하면에 상기 제1 가압 장치에 형성된 곡면에 대응되는 형상을 갖는 곡면을 형성하는 제1 가압 단계;
    곡면이 형성된 상기 전극 조립체를 오목한 형상의 컵(cup)이 형성된 파우치형 외장재 내에 수용하는 수용 단계; 및
    곡면이 형성된 제2 가압 장치를 이용하여 상기 제1 가압 단계에서 상기 전극 조립체에 형성된 곡면 및 상기 외장재의 외면을 가압하는 제2 가압 단계; 를 포함하는 이차전지 제조방법.
  2. 청구항 1에서,
    상기 수용 단계 이전에 이루어지고,
    상기 제1 가압 단계에서 상기 전극 조립체의 상면 및 하면에 형성된 곡면과 대응되는 형상을 갖는 곡면이 형성된 상기 컵을 상기 외장재에 형성하는 컵 형성 단계; 를 더 포함하는 이차전지 제조방법.
  3. 청구항 1에서,
    상기 제2 가압 단계 이후에 이루어지고,
    상기 제2 가압 단계에서 형성된 상기 외장재에 형성된 곡면의 표면을 고르게 하는 표면 고르기 단계; 를 더 포함하는 이차전지 제조방법.
  4. 청구항 3에서,
    상기 표면 고르기 단계에서,
    원통 형상의 롤러가 상기 외장재에 형성된 곡면의 표면 상에서 회전함으로써, 상기 외장재에 형성된 곡면의 표면의 고르기가 향상되는 이차전지 제조방법.
  5. 청구항 1에서,
    상기 전극 조립체는,
    상기 전극 조립체의 두께 방향으로 복수의 별개의 전극과 복수의 별개의 분리막이 교대로 적층된 L&S(lamination & stacking) 구조를 가지거나,
    장방형의 분리 필름 상에 전극을 포함하는 복수의 기본 단위체가 배치되고 상기 분리 필름이 폴딩된 S&F(stacking & folding) 구조를 갖는 이차전지 제조방법.
  6. 청구항 1에서,
    상기 전극 조립체 준비 단계에서,
    상기 전극 조립체를 가압하는 압력은 180kgf 내지 220kgf이고,
    상기 전극 조립체를 가열하는 온도는 섭씨 45도 내지 65도인 이차전지 제조방법.
  7. 청구항 1에서,
    상기 제1 가압 단계에서,
    상기 전극 조립체를 가압하는 압력은 600kgf 내지 1500kgf이고,
    상기 전극 조립체를 가열하는 온도는 섭씨 75도 내지 85도이고,
    상기 전극 조립체를 가압 및 가열하는 시간은 50초 내지 110초인 이차전지 제조방법.
  8. 청구항 7에서,
    상기 제1 가압 단계에서,
    상기 전극 조립체를 가압하는 압력은 950kgf 내지 1050kgf이고,
    상기 전극 조립체를 가압 및 가열하는 시간은 55초 내지 65초인 이차전지 제조방법.
  9. 청구항 7에서,
    상기 제1 가압 단계에서,
    상기 전극 조립체를 가압하는 압력은 900kgf 내지 1000kgf이고,
    상기 전극 조립체를 가압 및 가열하는 시간은 55초 내지 65초인 이차전지 제조방법.
  10. 청구항 1에서,
    상기 제2 가압 단계에서,
    상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가압하는 압력은 200kgf 내지 400kgf이고,
    상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가열하는 온도는 섭씨 55도 내지 65도인 이차전지 제조방법.
  11. 청구항 1에서,
    곡면이 형성된 제3 가압 장치를 이용하여 상기 제2 가압 단계에서 형성된, 상기 전극 조립체에 형성된 곡면 및 상기 외장재에 형성된 곡면을 추가로 가압하는 제3 가압 단계; 를 더 포함하는 이차전지 제조방법.
  12. 청구항 11에서,
    상기 제3 가압 단계에서,
    상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가압하는 압력은 300kgf 내지 400kgf이고,
    상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가열하는 온도는 섭씨 75도 내지 85도이고,
    상기 전극 조립체 및 상기 외장재를 가압 및 가열하는 시간은 8초 내지 12초인 이차전지 제조방법.
  13. 청구항 11에서,
    상기 제3 가압 단계 이후에,
    상기 전극 조립체 및 상기 외장재에 형성된 곡면의 곡률 반경은 70mm 내지 150mm인 이차전지 제조방법.
  14. 청구항 13에서,
    상기 제3 가압 단계 이후에,
    상기 전극 조립체 및 상기 외장재에 형성된 곡면의 곡률 반경은 80mm 내지 100mm인 이차전지 제조방법.
  15. 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 가지며 상면과 하면에 곡면이 형성된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하며 상기 전극 조립체의 상면 및 하면에 형성된 곡면의 곡률 반경에 대응되는 곡률 반경을 갖는 곡면이 형성되되 오목한 형상을 갖는 컵(cup)이 형성되는 파우치형 외장재; 를 포함하고,
    상기 전극 조립체에 형성된 곡면 및 상기 외장재에 형성된 곡면의 곡률 반경은 각각 70mm 내지 150mm인 이차전지.
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