WO2021080255A1 - 이차전지용 파우치 필름 성형 장치 및 방법 - Google Patents

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pouch
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metal barrier
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홍정우
김상욱
박성철
박동혁
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a forming method for forming a pouch film, and more particularly, to an apparatus and a forming method for forming a pouch film capable of increasing the elongation of a pouch film by efficiently heating an aluminum metal barrier layer of the pouch film. will be.
  • Pouch-type batteries are generally formed by molding an aluminum laminate sheet and accommodating an electrode assembly thereto. Since the aluminum laminate sheet is easily deformable, it can be manufactured in various forms, and because it is light, the energy density per weight of the pouch-type battery can be increased.
  • a high-capacity, high-density pouch-type battery can be obtained by further storing an electrode assembly in the pouch-type battery or reducing the thickness of the aluminum laminate sheet.
  • the depth of the electrode assembly receiving portion formed on the aluminum laminate sheet corresponding to the pouch film must be formed deeper.
  • the aluminum laminate sheet is composed of an outer coating layer composed of polyethylene terephthalate, stretched nylon, etc., a metal barrier layer composed of aluminum, copper, silver, gold, etc., and an inner adhesive layer composed of polypropylene, and has some degree of stretchability.
  • the metal barrier layer may be formed by a necking phenomenon. It can weaken or break.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram derived through simulation analysis of a limit depth when forming a pouch film using a conventional pouch film forming apparatus.
  • the conventional pouch film forming apparatus has a supply unit for supplying a pouch film including a metal barrier layer, and includes a forming unit for forming it, but does not have a separate preheating unit.
  • FIG. 2 is a photograph of a pouch film portion broken when forming a pouch film using a conventional pouch film forming apparatus.
  • Figure 2 shows the result of measuring the thickness of the pouch film twice at five points of 1 to 5 of the conventional pouch film.
  • Patent Document 1 discloses a method of increasing the stretching force of the entire pouch film by separately forming a layer including a silicone resin and microfibers on a pouch film.
  • this makes it difficult to obtain a high-capacity, high-density battery because the pouch film itself becomes thick, and does not increase the elongation of the metal barrier layer of the pouch film.
  • Patent Document 2 has a preheating unit formed in a chamber structure in front of the supply unit to apply hot air to the pouch fabric, but this does not heat up to the metal barrier layer by applying hot air to the outer covering layer of the pouch film, so that the elongation of the metal barrier layer cannot be improved. Even if the metal barrier layer is heated by hot air, in order to obtain sufficient stretching force, the pouch film may be damaged because the hot air is applied for a long time, and energy loss is also large because only necessary parts cannot be preheated quickly and accurately.
  • the polypropylene particles applied to lower the surface friction force generated on the pouch film during pouch film forming may melt.
  • polypropylene particles may be blown away by the wind even when the blowing strength is increased in order to evenly heat a wide range.
  • the pouch film to which the polypropylene particles are not coated on the surface may not form uniformly due to increased surface friction, and wrinkles and whitening may occur at the corners of the electrode assembly receiving part, and cracks may occur if the degree is severe. have.
  • Patent Document 1 Korean Patent Application Publication No. 2018-0060697 (2018.06.07)
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 10-1587554 (2016.01.15)
  • a preheating lamp capable of preheating up to the metal barrier layer among the pouch films including the metal barrier layer is used to increase the stretching force of the metal barrier layer to reduce damage and defects of the pouch film.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for forming a pouch film that can be formed.
  • the pouch film forming apparatus for solving the above problems includes a supply unit for supplying a pouch film including a metal barrier layer, a preheating lamp for preheating the metal barrier layer of the pouch film, and a pouch film for forming the pouch film. It may include a molded part.
  • the preheating lamp may use mid-infrared rays.
  • the mid-infrared ray may have a wavelength range of 2 ⁇ m to 4 ⁇ m.
  • the metal barrier layer may be aluminum.
  • the preheating lamp may preheat the pouch film to 40°C to 70°C.
  • the preheating portion of the preheating lamp may include a pouch cup forming portion of the pouch film.
  • the preheating lamp may be located in front of the moving direction of the molding part.
  • the present invention may be a pouch-type secondary battery including a pouch film formed by the pouch film forming apparatus described above.
  • the present invention may be a battery pack including the pouch-type secondary battery.
  • the present invention is a pouch film forming method, comprising the steps of (S1) supplying a pouch film, (S2) preheating a pouch cup forming portion of the supplied pouch film, (S3) forming the preheated pouch cup forming portion can do.
  • step (S2) may be performed through a mid-infrared lamp.
  • the mid-infrared lamp may use mid-infrared rays having a wavelength range of 2 ⁇ m to 4 ⁇ m.
  • the pouch cup forming part may be preheated to 40°C to 70°C.
  • the pouch film includes a metal barrier layer, and the metal barrier layer may be preheated in the step (S2).
  • the metal barrier layer may be made of aluminum.
  • the present invention can be combined by selecting one or two or more configurations that do not conflict among the above configurations.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram derived through simulation analysis of a limit depth when forming a pouch film using a conventional pouch film forming apparatus.
  • FIG. 2 is a photograph of a pouch film portion broken when forming a pouch film using a conventional pouch film forming apparatus.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a pouch film forming apparatus according to the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a pouch film representing a preheated portion preheated by the pouch film forming apparatus according to the present invention.
  • FIG. 5 is an external photograph of a pouch storage unit formed by the pouch film forming apparatus according to Comparative Example 1 and Example 1.
  • FIG. 5 is an external photograph of a pouch storage unit formed by the pouch film forming apparatus according to Comparative Example 1 and Example 1.
  • FIG. 6 is a graph showing the thickness of a metal barrier layer of a pouch formed by the pouch film forming apparatus according to Comparative Example 1 and Examples 2 and 3;
  • the pouch film forming apparatus includes a supply unit 200 for supplying a pouch film 100 including a metal barrier layer, a preheating lamp 500 for preheating the metal barrier layer of the pouch film, and It includes a molding part 600.
  • the pouch film forming apparatus sucks or removes a material that may occur when cutting the pouch film and a cutting unit 300 that cuts the pouch film into a desired size between the supply unit 200 and the preheating lamp 500.
  • the foreign material removing part 400 may be further disposed, or the cutting part 300 and the foreign material removing part 400 may be further disposed after the molding part 600.
  • the cutting part 300 and the foreign material removing part 400 are preferably located between the supply part 200 and the preheating lamp 500 in consideration of the fact that a shape change may occur after cutting.
  • the foreign material removing unit 400 may reduce the occurrence rate of defects when forming the pouch film by moving the foreign material to a place other than the pouch film.
  • the foreign material removing unit 400 may suck the foreign material and remove the foreign material from the pouch film. The movement and suction may be made at once.
  • the pouch film is composed of an outer coating layer forming the outermost layer, a metal barrier layer preventing penetration of a material, and an inner sealant layer for sealing.
  • the outer coating layer serves to protect the battery from the outside, it is required to have excellent tensile strength and weather resistance compared to the thickness, and is mainly composed of a polymer such as a stretched nylon film and PET, but is not limited thereto.
  • the metal barrier layer serves to prevent air, moisture, and the like from flowing into the battery.
  • the material used for the metal barrier layer is not particularly limited as long as it is a material having excellent formability and ductility.
  • it may be made of aluminum or aluminum alloy material.
  • the inner sealant layer is heat-sealed with each other by heat and pressure applied while the electrode assembly is embedded to provide sealing properties, and is mainly made of a non-stretched polypropylene film (CPP).
  • An adhesive layer may be added between the outer coating layer and the metal barrier layer and/or the metal barrier layer and the inner sealant layer, and serves to compensate for low adhesion between layers on both sides of the adhesive layer.
  • the supply unit 200 serves to supply a pouch film to a pouch film forming apparatus.
  • the supply unit 200 serves to easily supply the pouch film to be molded, and it is not necessary to have a shape as shown in FIG. 3.
  • the supply unit 200 may be configured in a roll shape or a rail shape.
  • the supply unit determines a supply speed, a supply direction, whether or not to supply the supply unit by a control unit connected to the supply unit.
  • the preheating lamp is preheated in such a way that the light source irradiated from the lamp directly preheats the pouch film. This is because preheating indirectly takes a long time and is not efficient.
  • the preheating lamp 500 quickly and accurately preheats the metal barrier layer using mid-infrared rays.
  • the mid-infrared ray may have a wavelength range of 2 ⁇ m to 4 ⁇ m, which corresponds to a wavelength range in which the outer coating layer of the pouch film is not damaged while rapidly preheating the aluminum of the metal barrier layer.
  • the pouch film was prepared in a size of 200 mm X 500 mm. Thereafter, the pouch film may be preheated for 4 seconds with the preheating lamp so that the temperature of the pouch film is 40°C to 70°C, and then the preheated pouch film may be molded by a molding unit. If the preheating temperature of the pouch film is preheated to a temperature higher than 70° C., the outer coating layer of the pouch film may be damaged or the inner sealant layer of the pouch film may melt. If the preheating temperature is lower than 40° C., the metal barrier layer of the pouch film is not heated, so that the desired stretching force may not be obtained.
  • the pouch film may be damaged, and if irradiated for less than 1 second, the metal barrier layer of the pouch film is not heated, so that the desired elongation cannot be obtained.
  • the temperature of the pouch film is not limited to the temperature as long as the components of the pouch film are not deformed or damaged.
  • the preheating lamp may preheat only a part of the pouch film without preheating the entire pouch film.
  • 4 is a plan view of a pouch film representing a preheated portion 510 preheated by the pouch film forming apparatus according to the present invention, wherein the preheating portion preheated by the preheating lamp includes a pouch cup forming portion 110 of the pouch film. It represents preheating the range.
  • the preheating portion 510 may preheat a range of 100% to 120% of the area of the pouch cup forming portion 110. This may play a role of preventing deformation and damage to other parts by preheating only the metal barrier layer in a range that may be damaged due to distortion during pouch molding, and to make it easier to fix.
  • Preheating is performed only in a specific range to simplify the process and shorten the time.
  • heat can be transferred evenly.
  • the range of the pouch cup forming unit 110 is expressed as the entire area to be a cup and preheated as a whole, but the pouch film forming apparatus according to the present invention preheats only the area extended by the actual forming apparatus. You can also use
  • the preheating lamp 500 may be located in front of the moving direction of the molding part 600.
  • the preheating lamp 500 may be 20 mm to 40 cm away from the molding part 600. Since preheating is performed at a distance of 20 mm to 40 cm in front of the proceeding direction, the preheated pouch film can be directly provided to the molding unit 600. In addition, since the pouch film having an increased elongation force is formed, fracture of the pouch film that may occur during molding can be prevented, and a deeper storage unit can be formed.
  • Example 1 This is the experimental result of Example 1 in which the metal barrier layer of the pouch film was preheated using mid-infrared rays having a wavelength of 2 ⁇ m, and then the receiving portion was formed, and the receiving portion was formed without preheating the metal barrier layer of the pouch film. Able to know.
  • Example 1 and Comparative Example 1 consisted of an outer coating layer made of PET having a thickness of 20 ⁇ m, a metal barrier layer made of aluminum having a thickness of 40 ⁇ m, and an inner sealant layer made of a non-stretched polypropylene film having a thickness of 20 ⁇ m. Experiments were made using the constructed pouch film.
  • Example 1 and Comparative Example 1 the molding part was composed of a die and a punch, and two storage parts were molded by pressing with a weight of about 1.5 ton.
  • Example 1 (b) can have an evenly molded receiving part because it can be stretched evenly using mid-infrared rays, but Comparative Example 1 (a) has a lower stretching force, so that the degree of stretching is different for each part. You can see that there are many wrinkles because it is different.
  • the comparative example 1 and the pouch film were heated using a 2 ⁇ m wavelength mid-infrared ray until the temperature reached 60 °C, and then molded Example 2, the pouch film was subjected to a 2 ⁇ m wavelength mid-infrared ray until the temperature reached 80 °C. After heating using, the remaining aluminum thickness of each portion of the molded Example 3 was measured.
  • Examples 2 and 3 and Comparative Example 1 were made of an outer coating layer made of PET having a thickness of 20 ⁇ m, a metal barrier layer made of aluminum having a thickness of 40 ⁇ m, and a non-stretched polypropylene film having a thickness of 20 ⁇ m.
  • the experiment was performed using a pouch film composed of an inner sealant layer.
  • the molding part was composed of a die and a punch, and two storage parts were molded by pressing with a weight of about 1.5 ton.
  • Examples 2 and 3 and Comparative Example 1 mainly consist of aluminum at the corner part (1) of the bottom surface of the receiving part, which is the part where fracture occurs, the side part of the receiving part (2), and the contact point (3) of the pouch wing and the receiving part.
  • the thickness of the formed metal barrier layer was measured.
  • 6 is a graph showing the thickness of a metal barrier layer of a pouch formed by the pouch film forming apparatus according to Comparative Example 1 and Examples 2 and 3; The horizontal axis of the graph represents each contact point 1, 2, and 3, and the vertical axis represents the thickness ( ⁇ m) of the metal barrier layer.
  • REF represents Comparative Example 1
  • 60°C represents Example 2
  • 80°C represents Example 3.
  • the thickness of the metal barrier layer decreases as it approaches the bottom surface of the storage unit.
  • Examples 2 and 3 in which the pouch film was preheated before molding, had a thicker metal barrier layer than Comparative Example 1. In the case of molding after preheating, the breaking strength increases due to the high elongation of aluminum in the metal barrier layer. can see.
  • Example 3 of FIG. 6 has a higher temperature, but the remaining amount of aluminum is superior to Example 2, which is formed after preheating to a lower temperature. It can be seen that when molding at an excessively high temperature, the elongation is rather high and the effect of preventing the pouch film from being broken is inferior. Therefore, it is preferable to preheat the pouch film to 40°C to 70°C only for a specific area required.
  • Pouch film forming apparatus and forming method according to the present invention can reduce damage and defects of the pouch film by improving the elongation of the pouch film by preheating the metal barrier layer. Since the elongation of the pouch film is improved by preheating the metal barrier layer, a deeper receiving portion can be formed than before.
  • the size of the pouch film forming apparatus does not need to be large.
  • a pouch-type secondary battery having high capacity and high density can be formed.

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Abstract

본 발명은 파우치 필름의 금속 배리어 층까지 예열하여 파우치 필름의 연신력을 증가시키는 예열램프를 포함하는 파우치 필름 성형장치 및 성형방법에 관한 것이다. -대표도- 도 3

Description

이차전지용 파우치 필름 성형 장치 및 방법
본 출원은 2019년 10월 22일자 한국 특허 출원 제2019-0131104호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 파우치 필름을 성형하는 장치 및 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파우치 필름의 알루미늄 금속 배리어 층을 효율적으로 가열하여 파우치 필름의 연신율을 상승시킬 수 있는 파우치 필름 성형 장치 및 성형방법에 관한 것이다.
파우치형 전지는 일반적으로 알루미늄 라미네이트 시트를 성형하여 이에 전극조립체를 수납하여 형성된다. 상기 알루미늄 라미네이트 시트는 변형이 용이하여 다양한 형태로 제작이 가능하고, 가볍기 때문에 파우치형 전지의 중량당 에너지 밀도를 높일 수 있다.
최근 전지를 사용하는 기기가 다양해짐에 따라 고용량, 고밀도의 전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 파우치형 전지의 경우, 파우치형 전지 내에 전극조립체를 더 수납하거나 알루미늄 라미네이트 시트의 두께를 줄여 고용량, 고밀도의 파우치형 전지를 얻을 수 있다.
하지만 상기와 같이 많은 전극조립체를 수납하기 위해서는 파우치 필름에 해당하는 알루미늄 라미네이트 시트에 형성되는 전극조립체 수납부의 깊이를 더 깊게 형성해야 한다. 일반적으로 알루미늄 라미네이트 시트는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 연신 나일론 등으로 구성된 외부 피복층, 알루미늄, 구리, 은, 금 등으로 구성된 금속 배리어 층, 폴리프로필렌 등으로 구성된 내부 접착층으로 구성되어 어느 정도의 연신성이 있다. 하지만 물질의 특성상 상기 전극조립체 수납부의 깊이를 두껍게 할수록 외부 충격에 더 파손되기 쉽고, 상기 전극조립체 수납부의 깊이가 일정 두께 이상이 될 경우, 금속 배리어 층이 네킹 현상에 의해 성형시 특정 부위가 약해지거나 파손될 수 있다.
도 1은 종래의 파우치 필름 성형장치를 이용해 파우치 필름을 성형할 때의 한계 깊이를 시뮬레이션 해석을 통해 도출한 개념도이다.
상기 종래의 파우치 필름 성형장치는 금속 배리어 층을 포함하는 파우치 필름을 공급하는 공급부를 가지고 있고, 이를 성형하는 성형부를 포함하나, 별도의 예열부를 구비하지 않고 있는 것을 사용하였다.
상기 도 1은 Hecker에 의해 제안된 성형한계선 계산 방법을 사용하여 포밍한계를 시뮬레이션 한 결과를 나타내었다. 시뮬레이션시, 파우치 필름의 초기 두께를 153㎛로 설정하고, 이후 파우치 필름을 고정시킨 후, 약 1.5 ton의 힘으로 국부넥(120)이 발생될 때까지 성형 깊이를 증가시켰을 경우를 가정하였다
상기 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯, 성형으로 형성되는 수납부의 깊이가 증가함(도 1(a) 내지 도 1(c) 참조)에 따라 외곽부의 왜곡도(FLD CRT)가 증가함을 알 수 있다. 상기 도 1에서 시뮬레이션 한 결과 수납부의 깊이가 5.8㎜일 때, 국부넥(120)이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 2는 종래의 파우치 필름 성형장치를 통해 파우치 필름 성형시 파단된 파우치 필름 부분을 찍은 사진이다.
도 2는 종래의 파우치 필름을 1 내지 5의 5개 지점에서의 파우치 필름의 두께를 2번 측정한 결과 값을 나타낸 것이다.
도 2에서 볼 수 있듯, 파우치 필름 수납부의 깊이를 깊게 성형하는 경우, 특정 연신부의 알루미늄이 연신되지 않고 파단되는 것을 볼 수 있다. 일반적으로 파우치 필름의 여러 층 중 금속 배리어 층이 연신시 손상 가능성이 큰 부분이므로, 상기 금속 배리어 층의 연신력을 높여 파우치 필름의 손상을 줄이도록 하는 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 파우치 필름에 실리콘계 수지 및 마이크로파이버를 포함하는 층을 별도로 형성해 파우치 필름 전체의 연신력을 증가시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이는 파우치 필름 자체의 두께가 두꺼워져 고용량, 고밀도의 전지를 얻기 어렵고, 파우치 필름의 금속 배리어 층의 연신력을 늘리지는 못한다.
특허문헌 2는 공급부 앞에 챔버 구조로 형성되어 파우치 원단에 열풍을 가하는 예열부를 두고 있으나, 이는 파우치 필름의 외부 피복층에 열풍을 가해 금속 배리어 층까지 가열되지 않아 금속 배리어 층의 연신력을 향상시키지 못한다. 만약 열풍으로 금속 배리어 층까지 가열된다고 하더라도, 충분한 연신력을 얻기 위해서는 열풍이 가해지는 시간이 길어 파우치 필름이 손상될 우려가 있고, 필요한 부분만을 신속하고 정확하게 예열할 수 없기 때문에 에너지 손실 또한 크다.
만약 상기 열풍으로 금속 배리어 층까지 가열하기 위해 온도를 상승시키는 경우, 파우치 필름 포밍시 파우치 필름에 발생하는 표면 마찰력을 낮추기 위해 도포된 폴리프로필렌 입자가 녹을 수 있다. 또한 넓은 범위를 고르게 가열하기 위해 송풍 강도를 높일 경우에도 폴리프로필렌 입자가 바람에 날려 제거될 수 있다. 상기 폴리프로필렌 입자가 표면에 도포되지 않은 파우치 필름은 표면 마찰력이 증가하게 되어 균일한 포밍이 되지 않고, 전극조립체 수납부의 코너에 주름 및 백화현상이 발생할 수 있으며, 정도가 심해지면 크랙이 발생할 수 있다.
이에, 파우치 필름 성형시 파단을 줄이면서 더 깊은 파우치 수납부를 형성하고 더 얇은 파우치 필름을 만들 수 있는 파우치 필름 성형장치 및 성형방법이 필요하다.
-선행기술문헌-
-특허문헌
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제2018-0060697호 (2018.06.07)
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허공보 제10-1587554호 (2016.01.15)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 금속 배리어 층을 포함하는 파우치 필름 중 금속 배리어 층까지 예열할 수 있는 예열램프를 이용하여 금속 배리어 층의 연신력을 높여 파우치 필름의 파손 및 하자를 줄일 수 있는 파우치 필름 성형장치 및 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 이를 통해 파우치 필름의 수납부를 기존보다 더 깊은 깊이로 성형할 수 있는 파우치 필름 및 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치는 금속 배리어 층을 포함하는 파우치 필름을 공급하는 공급부, 상기 파우치 필름의 금속 배리어 층을 예열하는 예열램프, 및 상기 파우치 필름을 성형하는 성형부를 포함할 수 있다.
또한 상기 예열램프는 중적외선을 사용할 수 있다. 상기 중적외선은 파장 범위가 2 ㎛~4 ㎛일 수 있다.
상기 금속 배리어 층은 알루미늄일 수 있다.
상기 예열램프는 파우치 필름을 40 ℃ 내지 70 ℃로 예열할 수 있다.
상기 예열램프의 예열부위는 상기 파우치 필름의 파우치 컵 형성부를포함할 수 있다.
상기 예열램프는 상기 성형부 진행방향 앞에 위치할 수 있다.
본 발명은 상기 기재된 파우치 필름 성형장치로 성형된 파우치 필름을 포함하는 파우치형 이차전지일 수 있다.
본 발명은 상기 파우치형 이차전지를 포함하는 전지 팩일 수 있다.
본 발명은 파우치 필름 성형방법으로서, (S1) 파우치 필름을 공급하는 단계, (S2) 공급된 파우치 필름 중 파우치 컵 형성부를 예열하는 단계, (S3) 상기 예열된 파우치 컵 형성부를 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 (S2) 단계의 예열은 중적외선 램프를 통해 이루어질 수 있다.
상기 중적외선 램프는 파장 범위가 2 ㎛~4 ㎛인 중적외선을 사용할 수 있다.
상기 (S2) 단계에서 파우치 컵 형성부는 40 ℃ 내지 70 ℃로 예열될 수 있다.
또한 상기 파우치 필름은 금속 배리어 층을 포함하고, 상기 (S2) 단계에서 상기 금속 배리어 층이 예열될 수 있다.
상기 금속 배리어 층은 알루미늄으로 이루어져 있을 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성들 중 상충되지 않는 구성을 하나 또는 둘 이상 택하여 조합할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치 필름 성형장치를 이용해 파우치 필름을 성형할 때의 한계 깊이를 시뮬레이션 해석을 통해 도출한 개념도이다.
도 2는 종래의 파우치 필름 성형장치를 통해 파우치 필름 성형시 파단된 파우치 필름 부분을 찍은 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치에 의해 예열되는 예열부위를 표현한 파우치 필름의 평면도이다.
도 5는 비교예 1과 실시예 1에 따른 파우치 필름 성형장치에 의해 형성된 파우치 수납부의 외관 사진이다.
도 6은 비교예 1과 실시예 2, 3에 따른 파우치 필름 성형장치에 의해 형성된 파우치의 금속 배리어 층의 두께를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치 및 성형방법에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치의 개념도이다. 본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치는 금속 배리어 층을 포함하는 파우치 필름(100)을 공급하는 공급부(200), 상기 파우치 필름의 금속 배리어 층을 예열하는 예열램프(500), 상기 파우치 필름을 성형하는 성형부(600)를 포함한다.
상기 파우치 필름 성형장치는 도 3과 같이 상기 공급부(200)와 예열램프(500) 사이에 파우치 필름을 원하는 크기로 자르는 컷팅부(300)와 파우치 필름을 절단시 발생할 수 있는 물질을 흡입 또는 제거하는 이물질 제거부(400)을 더 배치하거나, 상기 성형부(600) 이후에 상기 컷팅부(300)와 이물질 제거부(400)를 더 배치할 수 있다. 상기 컷팅부(300)와 이물질 제거부(400)는 컷팅 이후 모양 변화가 생길 수 있는 점을 고려할 시, 상기 공급부(200)와 예열램프(500) 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 이물질 제거부(400)는 이물질을 파우치 필름 외의 장소로 이동시켜 파우치 필름의 성형시 하자 발생률을 줄여줄 수 있다. 또는 이물질 제거부(400)는 이물질을 흡입하여 이물질을 상기 파우치 필름에서 제거할 수 있다. 상기 이동 및 흡입이 한 번에 이루어질 수도 있다.
일반적으로 파우치 필름은 최외각을 이루는 외부 피복층, 물질의 관통을 방지하는 금속 배리어 층 및 밀봉을 위한 내부 실란트층으로 구성된다.
상기 외부 피복층은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, 주로 연신 나일론 필름, PET 등의 폴리머로 구성되지만 이에 한정되지는 않는다.
상기 금속 배리어 층은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 금속 배리어 층에 사용되는 소재는 성형성 및 연성이 우수한 소재라면 그 종류가 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어질 수 있다.
상기 내부 실란트층은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 주로 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어져 있다. 상기 외부 피복층과 상기 금속 배리어 층 및/또는 상기 금속 배리어 층과 상기 내부 실란트층 사이에는 접착층이 추가될 수 있는 바, 상기 접착층의 양면에 있는 층들 간의 낮은 접착력을 보완하는 역할을 한다.
공급부(200)는 파우치 필름 성형장치에 파우치 필름을 공급하는 역할을 한다. 공급부(200)는 파우치 필름을 성형하기 쉽게 공급해주는 역할을 하고, 도 3과 같은 형태일 필요는 없다. 공급부(200)는 롤 형태 또는 레일 형태로 구성될 수 있다. 상기 공급부는 공급부에 연결된 제어부에 의해 공급 속도, 공급 방향, 공급여부 등이 결정된다.
상기 예열램프는 램프에서 조사된 광원이 파우치 필름을 직접 예열하는 방식으로 예열을 한다. 이는 간접적으로 예열할 경우, 시간이 오래 걸리고, 효율적이지 못하기 때문이다.
예열램프(500)는 중적외선을 사용하여 금속 배리어 층을 빠르고 정확하게 예열한다. 상기 중적외선은 파장 범위가 2 ㎛~4 ㎛일 수 있는데, 이는 금속 배리어 층의 알루미늄을 빠르게 예열하면서 파우치 필름의 외부 피복층이 손상되지 않는 파장범위에 해당한다.
상기 파우치 필름을 200 ㎜ X 500 ㎜의 크기로 준비한다. 이후 상기 파우치 필름을 상기 예열램프로 4초 동안 예열하여 파우치 필름의 온도가 40 ℃ 내지 70 ℃가 되도록 한 후, 예열된 파우치 필름을 성형부에 의해 성형하도록 할 수 있다. 만약 파우치 필름의 예열온도를 70 ℃보다 더 높은 온도로 예열할 경우, 파우치 필름의 외부 피복층이 손상되거나 파우치 필름의 내부 실란트 층이 녹을 수 있다. 만약 예열온도가 40 ℃ 보다 낮은 경우, 파우치 필름의 금속 배리어 층이 가열되지 않아 원하는 연신력을 얻지 못할 수 있다. 또한 예열램프를 사용하여 파우치 필름을 4초보다 더 오래 예열할 경우, 파우치 필름이 손상될 수 있고, 1초보다 짧게 조사할 경우, 파우치 필름의 금속 배리어 층이 가열되지 않아 원하는 연신력을 얻지 못할 수 있다. 상기 파우치 필름의 온도는 파우치 필름의 구성성분이 변형되거나 손상되지 않는 범위이면 상기 온도에 한정되지 않는다.
상기 예열램프는 파우치 필름 전체를 예열하지 않고 일부분만을 예열할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치에 의해 예열되는 예열부위(510)를 표현한 파우치 필름 평면도로서, 상기 예열램프가 예열하는 예열부위는 상기 파우치 필름의 파우치 컵 형성부(110)를 포함하는 범위를 예열하는 것을 나타내고 있다. 또한, 상기 예열부위(510)는 상기 파우치 컵 형성부(110)의 넓이의 100% 내지 120%의 범위를 예열할 수 있다. 이는 파우치 성형시 왜곡이 나타나 손상될 수 있는 범위의 금속 배리어 층만을 예열하여 타 부위의 변형 및 손상을 방지하고 그 고정이 더 쉽도록 하는 역할을 할 수 있다. 특정 범위에만 예열을 수행하여 공정을 간편화 할 수 있고, 시간을 단축할 수 있다. 또한 광원을 조사하여 예열을 하기 때문에 고르게 열을 전달할 수 있다. 도 3에서는 파우치 컵 형성부(110)의 범위를 컵이 되는 전 부위로 표시하여 이를 전체적으로 예열하는 것으로 표현하였으나, 본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치는 실제 성형장치에 의해 연장되는 부위만을 예열하는 방법을 사용할 수도 있다.
상기 예열램프(500)는 성형부(600)의 진행방향 앞에 위치해 있을 수 있다. 상기 예열램프(500)는 성형부(600)로부터 20 ㎜ 내지 40 ㎝ 떨어져 있을 수 있다. 진행방향 앞에서 20 ㎜ 내지 40 ㎝ 떨어진 곳에서 예열하기 때문에 예열된 파우치 필름을 곧바로 성형부(600)로 제공할 수 있게 된다. 또한 연신력이 높아진 상태의 파우치 필름을 성형하기 때문에, 성형시 발생할 수 있는 파우치 필름의 파단을 방지할 수 있고, 더 깊은 수납부를 형성할 수 있게 된다.
이는 파우치 필름의 금속 배리어 층을 2 ㎛ 파장의 중적외선을 사용하여 예열한 후, 수납부를 성형한 실시예 1과 파우치 필름의 금속 배리어 층을 예열하지 않고 수납부를 성형한 비교예 1의 실험결과로 알 수 있다.
- 실험예 1
실시예 1 및 비교예 1은 20 ㎛의 두께를 가진 PET로 이루어진 외부 피복층, 40 ㎛의 두께를 가진 알루미늄으로 이루어진 금속 배리어 층, 20 ㎛의 두께를 가진 무연신 폴리프로필렌 필름으로 이루어진 내부 실란트층으로 구성된 파우치 필름을 사용하여 실험하였다.
또한 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 성형부는 다이와 펀치로 구성되어 있고, 약 1.5 ton의 무게로 눌러 2개의 수납부를 성형하였다.
상기 과정을 25번 수행하여 크랙 발생 확률을 구해 표 1에 나타내었다.
Figure PCTKR2020014161-appb-img-000001
상기 표 1에서 알 수 있듯, 성형 깊이가 깊지 않은 경우, 실시예 1 및 비교예 1 모두 크랙이 발생하지 않으나, 8.0㎜로 성형할 경우, 비교예 1은 크랙이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 5는 비교예 1과 실시예 1에 따른 파우치 필름 성형장치에 의해 형성된 파우치 수납부의 외관 사진이다. 도 5에서 볼 수 있듯, 실시예 1(b)은 중적외선을 사용하여 고르게 연신이 가능하기 때문에 고르게 성형된 수납부를 가질 수 있지만, 비교예 1(a)은 연신력이 떨어져 연신 정도가 부위마다 달라 주름이 많이 생긴 것을 확인할 수 있다.
- 실험예 2
상기 비교예 1과, 파우치 필름이 60 ℃가 될 때까지 2 ㎛ 파장의 중적외선을 사용하여 가열한 후, 성형한 실시예 2, 파우치 필름이 80 ℃가 될 때까지 2 ㎛ 파장의 중적외선을 사용하여 가열한 후, 성형한 실시예 3을 각 부위별 알루미늄 잔존 두께를 측정하였다.
이 때, 실시예 2, 3 및 비교예 1은 20 ㎛의 두께를 가진 PET로 이루어진 외부 피복층, 40 ㎛의 두께를 가진 알루미늄으로 이루어진 금속 배리어 층, 20 ㎛의 두께를 가진 무연신 폴리프로필렌 필름으로 이루어진 내부 실란트층으로 구성된 파우치 필름을 사용하여 실험하였다.
또한 상기 실시예 2 ,3 및 비교예 1에서 성형부는 다이와 펀치로 구성되어 있고, 약 1.5 ton의 무게로 눌러 2개의 수납부를 성형하였다.
상기 실시예 2, 3 및 비교예 1은 주로 파단이 일어나는 부위인 수납부의 바닥면의 코너부(①), 수납부의 측면부(②) 및 파우치 윙과 수납부의 접점(③)에서 알루미늄으로 이루어진 금속 배리어 층의 두께를 측정하였다. 도 6은 비교예 1과 실시예 2, 3에 따른 파우치 필름 성형장치에 의해 형성된 파우치의 금속 배리어 층의 두께를 나타낸 그래프이다. 그래프의 가로축은 각 접점 ①, ②, ③을 나타내고, 세로축은 금속 배리어 층의 두께(㎛)를 나타낸다. 또한 본 그래프에서 REF는 비교예 1을, 60 ℃는 실시예 2를, 80 ℃는 실시예 3을 나타낸다.
도 6에서 알 수 있듯, 수납부의 바닥면에 가까워질수록 금속 배리어 층의 두께가 얇아지는 것을 확인할 수 있다. 또한 성형 전 파우치 필름을 예열한 실시예 2 및 3이 비교예 1보다 더 두꺼운 금속 배리어 층을 가지는 것을 알 수 있다. 예열을 한 후 성형을 하는 경우는 금속 배리어 층의 알루미늄의 연신율이 높아 파단강도가 증가하는 반면, 성형 전 예열을 하지 않는 경우에는 힘을 많이 받는 특정 연신부의 알루미늄이 연신되지 않고 오히려 파단되는 것을 볼 수 있다.
도 6의 실시예 3은 온도는 더 높지만 알루미늄 잔존양은 그보다 낮은 온도로 예열한 후 성형한 실시예 2가 더 뛰어나다는 것을 알 수 있다. 이는 지나치게 높은 온도로 성형할 경우, 오히려 연신율이 지나치게 높아 파우치 필름이 파단되는 것을 방지하는 효과가 떨어진다는 것을 알 수 있다. 따라서 파우치 필름을 필요한 특정 부위만 40℃ 내지 70℃로 예열하는 것이 바람직하다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 청구의 범위에 속하는 것도 당연하다.
-부호의 설명-
100 : 파우치 필름
110 : 파우치 컵 형성부
120: 국부넥
200 : 공급부
300 : 컷팅부
400 : 이물질 제거부
500 : 예열램프
510 : 예열부위
600 : 성형부
① : 수납부의 바닥면의 코너부
② : 수납부의 측면부
③ : 파우치 윙과 수납부의 접점
본 발명에 따른 파우치 필름 성형장치 및 성형방법은 금속 배리어 층을 예열함으로써 파우치 필름의 연신력을 향상시켜 파우치 필름의 파손 및 하자를 줄일 수 있다. 금속 배리어 층을 예열하여 파우치 필름의 연신력이 향상되었기 때문에 기존보다 더 깊은 수납부를 형성할 수 있다.
중적외선을 사용함으로써 필요한 부위만을 신속하고 정확하게 예열해 파우치의 연신력을 향상시킬 뿐 아니라 열에 의한 파우치 필름의 손상 또한 줄일 수 있다. 또한 필요한 부위만을 신속하고 정확하게 예열하여 공정 시간이 길어지지 않을 수 있고, 사용하는 에너지 또한 절약할 수 있다.
게다가 중적외선 조사부는 넓은 공간을 차지하지 않으므로 파우치 필름 성형장치의 크기가 크지 않아도 된다.
파우치 필름의 수납부를 더 깊게 형성할 때 두꺼운 파우치 필름을 사용하지 않아도 되므로, 고용량, 고밀도의 파우치형 이차전지를 형성할 수 있다.

Claims (15)

  1. 금속 배리어 층을 포함하는 파우치 필름을 공급하는 공급부;
    상기 파우치 필름의 금속 배리어 층을 예열하는 예열램프; 및
    상기 파우치 필름을 성형하는 성형부;
    를 포함하는 파우치 필름 성형장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예열램프는 중적외선을 사용하는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중적외선은 파장 범위가 2 ㎛~4 ㎛인 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 배리어 층은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 예열램프는 파우치 필름을 40 ℃ 내지 70 ℃로 예열하는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 예열램프의 예열부위는 상기 파우치 필름의 파우치 컵 형성부를포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 예열램프는 상기 성형부 진행방향 앞에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 파우치 필름 성형장치로 성형된 파우치 필름을 포함하는 파우치형 이차전지.
  9. 제8항에 따른 파우치형 이차전지를 포함하는 전지 팩.
  10. (S1) 파우치 필름을 공급하는 단계;
    (S2) 공급된 파우치 필름 중 파우치 컵 형성부를 예열하는 단계;
    (S3) 상기 예열된 파우치 컵 형성부를 성형하는 단계;를 포함하는 파우치 필름 성형 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (S2) 단계의 예열은 중적외선 램프를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중적외선 램프는 파장 범위가 2 ㎛~4 ㎛인 중적외선을 사용하는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (S2) 단계에서 파우치 컵 형성부는 40 ℃ 내지 70 ℃로 예열되는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 파우치 필름은 금속 배리어 층을 포함하고,
    상기 (S2) 단계에서 상기 금속 배리어 층이 예열되는 것을 포함하는 파우치 필름 성형방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 금속 배리어 층은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치 필름 성형방법.
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