WO2023027502A1 - 성형 장치 및 성형 방법과, 그에 의해 제조되는 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

성형 장치 및 성형 방법과, 그에 의해 제조되는 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a molding apparatus and method for forming a cup portion in a pouch film, a pouch-type battery case manufactured thereby, and a secondary battery including the pouch-type battery case.
  • types of secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, lithium ion batteries, and lithium ion polymer batteries. These secondary batteries are used not only for small products such as digital cameras, P-DVDs, MP3Ps, mobile phones, PDAs, portable game devices, power tools, and E-bikes, but also for large products that require high power, such as electric vehicles and hybrid vehicles, and surplus power generation. It is applied and used to a power storage device for storing power or renewable energy and a power storage device for backup.
  • an electrode active material slurry is first applied to a positive electrode current collector and a negative electrode current collector to prepare a positive electrode and a negative electrode, and laminated on both sides of a separator to form an electrode assembly of a predetermined shape form Then, the electrode assembly is accommodated in the battery case, and the electrolyte is injected and then sealed.
  • Secondary batteries are classified into a pouch type and a can type according to the material of a case accommodating the electrode assembly.
  • the pouch type an electrode assembly is accommodated in a pouch made of a flexible polymer material.
  • the can type accommodates the electrode assembly in a case made of a material such as metal or plastic.
  • a pouch-type battery case is manufactured by forming a cup portion by performing a press process on a flexible pouch film. Then, when the cup part is formed, the secondary battery is manufactured by accommodating the electrode assembly inside the cup part and sealing the side.
  • drawing forming is performed by inserting a pouch film into a forming device such as a press equipment, applying pressure to the pouch film with a punch, and stretching the pouch film.
  • a forming device such as a press equipment
  • applying pressure to the pouch film with a punch and stretching the pouch film.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional molding apparatus.
  • a conventional molding apparatus has a die 2 in which a pouch film F is seated and a molding space 2a is formed, and an opening 3a fixing the pouch film F on the upper side of the die 2 It includes a stripper 3 formed and a punch 4 for stretching the pouch film F through the opening 3a. Then, when the die 2 and the stripper 3 rise with respect to the punch 4 or the punch 4 descends with respect to the die 2 and the stripper 3, the punch 4 attaches to the pouch film F A portion of the pouch film F may be stretched into the molding space 2a by applying pressure, thereby forming the cup portion 110 in the pouch film F.
  • the outer circumference of the punch 4 and the die A predetermined clearance g is required between the inner periphery of the molding space 2a in (2). Accordingly, the circumferential surface 112 of the cup portion 110 formed on the pouch film F is formed to be slightly inclined with respect to the bottom surface 111 of the cup portion 110 . As a result, an empty space not occupied by an electrode assembly (not shown) is generated in the cup portion 110, resulting in a decrease in the energy density of the secondary battery.
  • One problem to be solved by the present invention is to provide a molding apparatus and a molding method capable of maintaining a thick remaining thickness of the corners of the cup part while molding the depth of the cup part to a sufficiently deep depth.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a pouch-type battery case manufactured by the molding apparatus and molding method, and a secondary battery including the same.
  • the molding apparatus may form a cup portion on a pouch film.
  • the forming device may include: a die on which the pouch film is seated on an upper surface and a first space recessed in the upper surface; a stripper fixing the pouch film on the upper side of the die and having a second space formed at a position corresponding to the first space; and a pressure unit applying pneumatic or hydraulic pressure to the pouch film through the second space so that a portion of the pouch film is stretched into the first space.
  • the stripper is provided with a cover portion for sealing the second space from the upper side, and a passage for communicating the pressurizing portion and the second space is formed in the stripper or cover portion, and the pressurizing portion passes gas in and out through the passage Internal pressure of the second space may be controlled.
  • the molding device may include a flexible bag disposed in the second space and in contact with the pouch film; and a bag body that seals the second space, is connected to the flexible bag, and has a passage through which the pressure unit communicates with the flexible bag.
  • the pressure unit may control the internal pressure of the flexible bag by allowing fluid to flow in and out through the passage.
  • the molding device may further include a first punch inserted into the first space and having a curved surface convexly formed toward the pouch film.
  • the curved surface may be formed to have a highest central portion and a lower height as it approaches an inner circumference of the first space.
  • a central portion of the curved surface may be located at a height lower than an upper surface of the die.
  • the first space has a first width in a first direction and a second width in a second direction orthogonal to the first direction, and the curved surface is formed of an ellipsoid defined by the following equation. may be part
  • the molding device may further include a second punch inserted into the first space and having a plane facing the pouch film.
  • the pressing unit may apply a higher pressure when the second punch is inserted into the first space than when the first punch is inserted into the first space.
  • the difference in height between the plane and the upper surface of the die when the second punch is inserted into the first space is between the curved surface and the upper surface of the die when the first punch is inserted into the first space. may be greater than the height difference of
  • the molding apparatus may include a lower body located below the die and having a third space communicating with the first space; a flexible bag disposed in the third space, expanding into the first space and contacting the pouch film; a bag body that seals the third space and is connected to the flexible bag; and a sub-pressurization unit configured to control internal pressure of the flexible bag by allowing fluid to flow in and out through a passage formed in the bag body.
  • the cup portion may be formed on the pouch film.
  • the forming method may include a preparation step in which the pouch film is inserted between a die and a stripper; A fixing step of fixing the pouch film by the stripper; and a pressurizing step of applying pneumatic or hydraulic pressure to the pouch film through a second space formed in the stripper so that a portion of the pouch film is stretched into a first space formed in the die.
  • the pressing step may include a first molding process in which a first punch having a curved upper surface is inserted into the first space of the die, and a portion of the pouch film is adhered to the curved surface, and the curved surface is convex upward; and a second molding process in which a second punch having a flat upper surface is inserted into the first space, and a portion of the pouch film adheres to the flat surface.
  • the pressure acting on the pouch film during the secondary forming process may be higher than the pressure acting on the pouch film during the primary forming process.
  • a cup portion may be formed on a pouch film.
  • the forming method may include a preparation step in which the pouch film is inserted between a die and a stripper; A fixing step of fixing the pouch film by the stripper; and a pressing step of applying pneumatic or hydraulic pressure to the pouch film so that a portion of the pouch film is stretched into a first space formed in the die and formed into the cup portion.
  • the pressing step may include a preforming process in which a first flexible bag disposed in a second space formed in the stripper stretches the pouch film into the first space; a first molding process in which a second flexible bag is inflated into the first space and a portion of the pouch film is pressed to form a portion of the pouch film convex upward; and a secondary forming process in which a portion of the pouch film is flattened by adjusting the internal pressure of the first flexible bag and the second flexible bag to be the same.
  • the internal pressure of the second flexible bag may be higher than that of the first flexible bag.
  • the internal pressure of the first flexible bag and the second flexible bag may be higher than the internal pressure of the second flexible bag during the primary molding process.
  • a pouch-type battery case includes a cup portion having a recessed shape; and a terrace located on at least a part of a circumference of the cup part.
  • the cup portion may include a bottom surface; a plurality of circumferential surfaces connecting the bottom surface and the terrace; and a corner where a pair of adjacent circumferential surfaces among the plurality of circumferential surfaces and the bottom surface meet.
  • the thickness of the corner may be 0.75 to 0.85 times the thickness of the bottom surface.
  • An angle formed by the circumferential surface with respect to the floor surface or the terrace may be 90 degrees to 95 degrees.
  • a radius of curvature of the corner may be 0.75 mm to 1.25 mm.
  • the cup portion may include: a first edge formed to be round when the circumferential surface and the terrace meet; And the bottom surface and the circumferential surface may further include a second edge formed in a round shape. A clearance between the first edge and the second edge may be 0.1 mm or less.
  • the radius of curvature of the first edge and the second edge may be greater than or equal to 0.1 mm and less than 0.5 mm.
  • the cup portion may include a first edge formed to be round while the bottom surface and the circumferential surface meet; and a second edge formed in a round shape where the circumferential surface meets the terrace.
  • a clearance between the first edge and the second edge may be less than or equal to the radius of curvature of the first edge and the second edge.
  • a secondary battery includes an electrode assembly; and a pouch-type battery case having a cup portion having a recessed shape and accommodating the electrode assembly, and a terrace positioned on at least a portion of a circumference of the cup portion.
  • the cup portion may include a bottom surface; a plurality of circumferential surfaces connecting the bottom surface and the terrace; and a corner where a pair of adjacent circumferential surfaces among the plurality of circumferential surfaces and the bottom surface meet.
  • the thickness of the corner may be 0.75 to 0.85 times the thickness of the central portion of the bottom surface.
  • the cup portion is formed by stretching the pouch film by pneumatic or hydraulic pressure, concentration of stress on the corner of the cup portion can be minimized. As a result, even when the cup portion is deeply molded, the remaining thickness of the corner can be maintained thick, and cracks or pinholes can be prevented from occurring in the corner.
  • the circumferential surface of the cup portion may be sufficiently stretched during the molding process of the cup portion. Accordingly, it is possible to prevent occurrence of wrinkles due to buckling on the circumferential surface of the cup portion.
  • the radius of curvature of the edges and corners of the cup portion can be minimized and the circumference of the cup portion can be formed close to vertical.
  • the appearance of the secondary battery can be sharpened and energy density can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional molding apparatus.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a molding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a bottom view of a die according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart of a molding method performed by a molding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 5A to 5C are views for explaining the operation of the molding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged view of 'A' in FIG. 6 .
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the inside of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an enlarged view of 'B' of FIG. 8 .
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart of a molding method performed by a molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 13A to 13C are views for explaining the operation of a molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a molding apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a bottom view of a die according to an embodiment of the present invention.
  • the molding apparatus includes a die 10 on which the pouch film F is seated on the upper surface, and a pouch film on the upper side of the die 10 ( It includes a stripper 20 for fixing F) and a pressure unit 30 for applying pneumatic or hydraulic pressure to the pouch film F.
  • the molding apparatus may further include a first punch 40 and a second punch 50 inserted into the first space S1.
  • the pouch film F may have a predetermined thickness t.
  • the pouch film F may be a laminate sheet in which a pair of resin layers located on both outermost sides and a metal layer located between the pair of resin layers are laminated.
  • a pouch film F may be seated on the upper surface of the die 10 .
  • a first space S1 recessed downward from the upper surface may be formed in the die 10 .
  • the first space S1 may be open to upper and lower sides.
  • the pouch film F may cover the first space S1 from the upper side.
  • the first punch 40 and the second punch 50 to be described later may be inserted into the first space S1 from the lower side of the die 10 .
  • a cross section of the first space S1 of the die 10 may be substantially rectangular.
  • the first space S1 may have a first width W1 in a first direction and a second width W2 in a second direction orthogonal to the first direction. That is, the first direction may be parallel to the horizontal direction of the first space S1, and the second direction may be parallel to the vertical direction of the first space S1. Also, the first width W1 may be the horizontal width of the first space S1, and the second width W2 may be the vertical width of the first space S1.
  • the stripper 20 may face the die 10 with the pouch film F interposed therebetween.
  • the stripper 20 may be configured to be liftable relative to the die 10 .
  • the pouch film (F) may be inserted between the die (1) and the stripper (20) in a state in which the stripper (20) is raised, and then, when the stripper (20) is lowered, the pouch film (F) is disposed between the die (10) and the stripper It can be fixed between (20).
  • a second space S2 may be formed in the stripper 20 .
  • the second space S2 may be formed at a position corresponding to the first space S1 of the die 10 .
  • the second space (S2) may be closed to the upper side and open to the lower side.
  • the stripper 20 may be provided with a cover portion 21 for sealing the second space S2 from the upper side.
  • the cover part 21 may be fastened to the stripper 20 as a separate configuration from the stripper 20 or integrally formed with the stripper 20 .
  • a passage 21a may be formed in the cover part 21 to communicate the pressing part 30 to be described later with the second space S2. However, it is not limited thereto, and it is also possible that the passage 21a is formed in the stripper 20, of course.
  • the pouch film F may cover the second space S1 from the lower side. That is, in a state where the pouch film (F) is fixed between the die 10 and the stripper 20, a portion of the pouch film (F) is located between the first space (S1) and the second space (S2) can do.
  • a portion of the pouch film F located between the first space S1 and the second space S2 is referred to as the target area 110 .
  • the pressing unit 30 may apply pneumatic or hydraulic pressure to the pouch film F, more specifically, to the target area 110 through the second space S2. Due to this, the target area 110 may be extended into the first space S1 and the target area 110 may be formed into a cup portion. Accordingly, the cup portion is denoted by '110', which is the same reference numeral as the target area 110.
  • the horizontal length of the cup part 110 is equal to the first width W1 of the first space S1.
  • the same as or similar to, and the vertical length of the cup portion 110 may be the same as or similar to the second width (W2) of the first space (S1).
  • the configuration of the pressing portion 30 is not limited.
  • the pressing unit 30 may apply air pressure to the target area 110 .
  • the pressing unit 30 may include a pneumatic pump.
  • the pressurizing unit 30 may control the internal pressure of the second space S2 by allowing gas to flow into and out of the second space S2 through the passage 21a. Therefore, when the internal pressure of the second space S2 is higher than the internal pressure (eg, atmospheric pressure) of the first space S1, the target area 110 is formed between the first space S1 and the second space S2. It can be extended into the first space (S1) by the pressure difference of.
  • the internal pressure of the second space S2 is higher than the internal pressure (eg, atmospheric pressure) of the first space S1
  • the target area 110 is formed between the first space S1 and the second space S2. It can be extended into the first space (S1) by the pressure difference of.
  • the thickness t of the target region 110 may uniformly decrease as a whole while the target region 110 is being stretched. Accordingly, it is possible to minimize the concentration of stress in a local area on the target area 110 .
  • first punch 40 and the second punch 50 may be inserted into the first space S1 from the lower side of the die 10 .
  • the first punch 40 and the second punch 50 may alternatively be inserted into the first space S1.
  • the first punch 40 and the second punch 50 can move horizontally relative to the die 10, and the die 10 moves up and down relative to the first punch 40 and the second punch 50. can do.
  • the first punch 40 is inserted into the first space S1.
  • the second punch 50 may be inserted into the first space S1. there is.
  • the die 10 moves horizontally with respect to the first punch 40 and the second punch 50, or the first punch 40 and the second punch 50 move to the die 10.
  • the die 10 moves horizontally with respect to the first punch 40 and the second punch 50, or the first punch 40 and the second punch 50 move to the die 10.
  • each punch 40 or 50 may contact or adjoin the inner circumference of the first space S1 of the die 10 . This is because the pouch film F does not enter between the outer circumference of the punches 40 and 50 and the inner circumference of the first space S1.
  • the first punch 40 may have a curved surface 41 convexly formed toward the pouch film F, more specifically, the target area 110 . That is, the curved surface 41 may form the upper surface of the first punch 40 .
  • the curved surface 41 may be formed to have a highest central portion and a lower height as it approaches the inner circumference of the first space S1. In more detail, the curved surface 41 may have a shape corresponding to a part of an ellipsoid.
  • the target area 110 is pressed by the pressing unit 30 and can be brought into close contact with the curved surface 41 of the first punch 40. .
  • the second punch 50 may be inserted into the first space S1 after the first punch 40 is separated from the first space S1.
  • the second punch 50 may have a plane 51 facing the pouch film F, more specifically, the target area 110 . That is, the plane 51 may form the upper surface of the second punch 40 .
  • the target area 110 is pressed by the pressing part 30 so that the plane 51 of the second punch 50 can be adhered to.
  • FIGS. 5A to 5C are diagrams for explaining the operation of the molding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the molding method according to the present embodiment includes a preparation step (S10) in which the pouch film (F) is inserted between the die 10 and the stripper 20, and a fixing step in which the stripper 20 fixes the pouch film (F) (S20) and a pressing step (S30) of applying pneumatic or hydraulic pressure to the pouch film (F).
  • the stripper 20 may be raised by a predetermined height relative to the die 10, and the pouch film F may be inserted between the die 10 and the stripper 20. Accordingly, the upper surface of the die 10 may be seated on the pouch film F.
  • the stripper 20 may descend toward the die 10, and the pouch film F may be fixed between the die 10 and the stripper 20.
  • the target area 110 of the pouch film F may be located between the first space S1 of the die 10 and the second space S2 of the stripper 20 .
  • the pressing unit 30 may apply pneumatic or hydraulic pressure to the pouch film (F) through the second space (S2) of the stripper (30).
  • the pressing unit 30 may apply air pressure to the target area 110 .
  • the pressing unit 30 may increase the internal pressure of the second space S2 through the passage 21a to apply isostatic pressure to the pouch film F, more specifically, to the target area 110 .
  • the target area 110 may be extended into the first space S1 and formed into the cup portion 110 .
  • the pressing step (S30) may include a preforming process (S31), a primary molding process (S32), and a secondary molding process (S33).
  • the pressing unit 30 may press the target area 110 in a state in which the first space S1 is open. At this time, the pressure applied to the target area 110 by the pressing unit 30 may be appropriately adjusted so that the remaining thickness of the target area 110 is not excessively thin.
  • the remaining thickness of the target region 110 stretched in the preforming process (S31) may be about 90% of the thickness (t) of the pouch film (F). That is, the thickness of the target region 110 may decrease by approximately 10%, and the area of the target region 110 may increase by approximately 10%.
  • the target area 110 is uniformly stretched to the first space S1 and can form a predetermined curved surface.
  • the curved surface formed by the target area 110 has the lowest central portion and may be formed to be higher as it is closer to the inner circumference of the first space S1.
  • the curved surface formed by the target area 110 may form a part of an ellipsoid defined by Equation 1 below.
  • Equation 1 x is a coordinate in a first direction parallel to the horizontal direction of the first space S1
  • y is a coordinate in a second direction parallel to the vertical direction of the first space S1
  • z is coordinates in the vertical direction.
  • a is half of the first width W1
  • b is half of the second width W2
  • c1 is the depth of the curved surface formed by the target region 110.
  • c1 may be proportional to the average value of a and b. For example, when the thickness of the target region 110 is stretched to decrease by about 10%, c1 may be approximately 0.4 times the average value of a and b. Accordingly, those skilled in the art will easily understand that c1 increases as the ratio of a and b approaches 1, provided that the product of a and b is constant and the remaining thickness of the target region 110 is constant.
  • the first punch 40 may be inserted into the first space S1 of the die 10. At this time, the pressing unit 30 may continue to maintain the pressure applied to the target area 110 .
  • the central portion of the curved surface 41 of the first punch 40 may be located at a height lower than the upper surface of the die 10.
  • the first punch 40 may be inserted into the first space S1 at a height that does not interfere with the target region 110 stretched in the preforming process S31.
  • the curved surface 41 of the first punch 40 may have a substantially symmetrical shape with the curved surface formed by the target region 110 stretched in the preforming process (S31). That is, the curved surface 41 of the first punch 40 may form a part of an ellipsoid defined by Equation 2 below.
  • Equation 2 x is a coordinate in a first direction parallel to the horizontal direction of the first space S1
  • y is a coordinate in a second direction parallel to the vertical direction of the first space S1
  • z is coordinates in the vertical direction.
  • a is half of the first width W1
  • b is half of the second width W2
  • c2 is a value obtained by multiplying the average value of a and b by a predetermined correction constant k.
  • c1 when the thickness of the target region 110 is stretched to decrease by about 10% in the preforming process (S31), c1 may be approximately 0.4 times the average value of a and b.
  • the correction constant k may be determined within a predetermined range with 0.4 as the median so that c2 corresponds to c1.
  • the correction constant (k) may be 0.2 to 0.6, and may be appropriately determined according to the depth of the cup part 110 to be molded.
  • a part of the target area 110 is in close contact with the curved surface 41 during the first forming process (S32), and the other part of the target area 110 is removed. It may be in contact with or adjacent to the inner circumference of 1 space (S1).
  • the part of the target area 110 is referred to as a first area 111 and the other part of the target area 110 is referred to as a second area 112 .
  • the first region 111 may be formed as a bottom surface of the cup portion 110 later, and the second region 112 may be formed as a circumferential surface of the cup portion 110 later. Accordingly, the bottom surface of the cup portion 110 is indicated by the same reference numeral '111' as the first area 111, and the circumferential surface of the cup portion 110 is indicated by the same reference numeral '112' as the second area 112. indicated by
  • the second region 112 can be easily stretched in the subsequent secondary molding process (S33). Therefore, wrinkles due to buckling do not occur on the circumferential surface 112 of the cup portion 110, and there is an advantage in that the cup portion 110 can be formed deeply.
  • the intersection of the first region 111 and the second region 112 forms an acute angle
  • the second region 112 forms the inner circumference of the first space S1 in the subsequent secondary molding process (S33).
  • S33 secondary molding process
  • the second punch 40 may be inserted into the first space S1 of the die 10 during the secondary molding process (S33).
  • the primary molding process (S32) is completed, the first punch 40 departs from the first space S1 of the die 10, and the second punch 40 moves into the first space S1 of the die 10.
  • a secondary molding process (S33) may be performed by being inserted into the space (S1).
  • the plane 51 of the second punch 50 may be located at a height lower than the upper surface of the die 10.
  • the second punch 50 may be inserted into the first space S1 at a height lower than that of the first punch 40 at the time of the primary molding process (S32). That is, when the second punch 50 is inserted into the first space S1, the height difference h2 between the plane 51 and the upper surface of the die 10 is It may be larger than the height difference h1 between the curved surface 41 and the upper surface of the die 10 when it is inserted into the space S1.
  • the pressure acting on the pouch film F, more specifically, the target area 110 in the secondary molding process (S32) may be higher than that in the primary molding process (S32). That is, the pressing unit 30 may apply a higher pressure when the second punch 50 is inserted into the first space S1 than when the first punch 40 is inserted.
  • the first area 111 adheres to the plane 51 of the second punch 50, and the second area 112 adheres to the inner circumference of the first space S1. It can be. Thus, molding of the cup portion 110 may be completed.
  • the first region 111 may be formed horizontally as the bottom surface 111 of the cup portion 110, and the second region 112 may be formed vertically as the circumferential surface 112 of the cup portion 110. It can be. Also, in the secondary molding process (S33), since the second region 112 is stretched downward, the depth of the cup portion 110 can be formed sufficiently deep.
  • the pressing unit 30 may start pressing the target region 110 in a state in which the first punch 40 is inserted into the first space S1 of the die 10 .
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery 1 may include a pouch-type battery case 100 (hereinafter referred to as 'battery case') and an electrode assembly 200 accommodated in the battery case 100 .
  • 'battery case' a pouch-type battery case 100
  • electrode assembly 200 accommodated in the battery case 100 .
  • the battery case 100 may be molded by the above-described molding apparatus and molding method.
  • the battery case 100 may include a cup portion 110 having a recessed shape and a terrace 120 located at least a part of the circumference of the cup portion 110 .
  • the terrace 120 may be a portion of the pouch film F where the cup portion 110 is not formed.
  • the battery case 100 may be formed by sealing a pair of cases 101 and 102 connected by a folding unit 130 to each other.
  • the battery case 200 it is not limited thereto, and it is also possible to form the battery case 200 by sealing a pair of cases 101 and 102 in a state in which they are separated from each other.
  • At least one of the pair of cases 101 and 102 may be provided with a cup portion 110 having a recessed shape.
  • the cup portion 110 may be recessed into the terrace 120 by a predetermined depth and form a space in which the electrode assembly 200 is accommodated.
  • a case in which the pair of cases 101 and 102 include a first case 101 with a cup portion 110 and a second case 102 without a cup portion 110 will be described as an example.
  • the first case 101 may include a terrace 120 located on at least a part of the circumference of the cup portion 110 .
  • the terrace 120 may be connected to an upper end of the circumferential surface 112 of the cup portion 110 .
  • the folding portion 220 may be folded so that the second case 102 covers the cup portion 110 .
  • the secondary battery 1 may be formed by fusing the terrace 101 and the edges of the second case 102 to form a sealing portion 140 (see FIG. 8 ).
  • the electrode assembly 200 may include a plurality of electrodes 210 (see FIG. 8 ) and a plurality of separators 220 that are alternately stacked.
  • the plurality of electrodes 210 are alternately stacked with the separator 220 therebetween and may include positive and negative electrodes having opposite polarities.
  • the electrode assembly 200 may include a plurality of electrode tabs 230 welded to each other.
  • the plurality of electrode tabs 230 may be connected to the plurality of electrodes 210, protrude outward from the electrode assembly 200, and may act as a passage through which electrons may move between the inside and outside of the electrode assembly 200. there is.
  • a plurality of electrode tabs 230 may be located inside the battery case 100 .
  • the electrode tab 230 connected to the anode and the electrode tab 230 connected to the cathode may protrude in different directions with respect to the electrode assembly 200 .
  • a lead 240 supplying electricity to the outside of the secondary battery may be connected to the plurality of electrode tabs 230 by spot welding or the like.
  • One end of the lead 240 may be connected to the plurality of electrode tabs 230 and the other end may protrude out of the battery case 100 .
  • a portion of the lead 240 may be surrounded by the insulating portion 250 .
  • the insulation unit 250 may include an insulation tape.
  • the insulating part 250 may be located between the terrace 120 of the first case 101 and the second case 102, and in this state, the terrace 120 and the second case 102 are heated to each other. can be fused. In this case, portions of the terrace 120 and the second case 102 may be heat-sealed to the insulating portion 250 . Accordingly, the insulator 250 prevents electricity generated from the electrode assembly 200 from flowing to the battery case 100 through the lead 240 and maintains the sealing of the battery case 100 .
  • FIG. 7 is an enlarged view of 'A' in FIG. 6
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the inside of a secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is an enlarged view of 'B' in FIG. 8 . .
  • the cup portion 110 may include a bottom surface 111 and a circumferential surface 112 .
  • the circumferential surface 112 may connect the bottom surface 112 and the terrace 120 .
  • the circumferential surface 112 may be provided with a plurality of, more specifically, four.
  • the bottom surface 111 may cover one surface of the electrode assembly 200 , and the circumference surface 112 may surround the circumference of the electrode assembly 200 .
  • the cup portion 110 includes a first edge 113 where the circumferential surface 112 and the terrace 120 meet, a second edge 114 where the bottom surface 111 and the circumferential surface 112 meet, and a plurality of Among the circumferential surfaces 112 of the dog, a third edge 115 where a pair of adjacent circumferential surfaces 112 meet each other may be included.
  • Each of the edges 113, 114, and 115 may be rounded to have a predetermined radius of curvature.
  • the cup portion 110 may include a corner 116 where a pair of adjacent circumferential surfaces 112 and a bottom surface 111 meet among the plurality of circumferential surfaces 112 . That is, the corner 116 may be a portion where a pair of adjacent second edges 114 and third edges 115 overlap each other. Corner 116 may have a predetermined radius of curvature.
  • the cup portion 110 has four circumferential surfaces 112 , four edges 113 , 114 , 115 and four corners 116 may be formed.
  • the molding apparatus and molding method it is possible to minimize the concentration of stress on the edges 113, 114, 115 and corners 116 of the cup portion 110. Therefore, the radius of curvature of each edge 113, 114, 115 and corner 116 can be formed sufficiently small, and at the same time, the remaining thickness of the corner 116 can be formed sufficiently thick.
  • the radius of curvature of at least some of the plurality of edges 113, 114, and 115 may be formed to be greater than or equal to 0.1 mm and less than 0.5 mm.
  • the radius of curvature R1 of the first edge 113 may be the radius of curvature of the outer surface of the first edge 113 .
  • the radius of curvature R2 of the second edge 114 may be the radius of curvature of the inner surface of the second edge 114 .
  • the radius of curvature of the corner 116 may be formed to be 0.75 mm to 1.25 mm.
  • the radius of curvature of the corner 116 may be the radius of curvature of the inner surface of the corner 116 .
  • the radius of curvature of each edge was formed to be 0.5 mm to 1 mm, and the radius of curvature of the corner was formed to be 1.5 mm to 3 mm. This is well known to those skilled in the art. Therefore, compared to the conventional cup portion, it can be confirmed that the radius of curvature of each edge 113, 114, 115 and corner 116 of the cup portion 110 according to an embodiment of the present invention is formed small.
  • the cup portion 110 may have a sharp appearance.
  • the electrode 210 of the electrode assembly 200 is positioned very close to the circumferential surface 112 of the cup portion 110, interference between the electrode 210 and the cup portion 110 can be prevented from occurring.
  • the edge portion 220a of the separation membrane 220 protruding outward from the electrode 210 may contact the circumferential surface 111 of the cup portion 110 from the inside and be folded.
  • the edge portion 220a of the separator 220 may be randomly folded or folded in a predetermined direction. For example, the edge portion 220a of the separator 220 may be folded toward the opposite direction of the bottom surface 111 .
  • the thickness of the corner 16 may be 0.75 to 0.85 times the thickness of the bottom surface 111 . That is, the thickness of the corner 16 may be formed to be 15% to 25% thinner than the thickness of the bottom surface 111 .
  • the thickness of the bottom surface 111 may be the thickness measured from the central portion of the bottom surface 111
  • the thickness of the corner 16 may be the thickness measured from the central portion of the corner 16 .
  • the conventional cup part is formed by direct pressing of a punch, stretching is concentrated at the corner of the cup part, and thus the thickness of the corner of the cup part is formed thinner than the thickness of the bottom surface of the cup part by 30% to 40%. This is well known to those skilled in the art. Therefore, compared to the conventional cup portion, it can be confirmed that the remaining thickness of the corner 116 of the cup portion 110 according to an embodiment of the present invention is formed thicker.
  • the circumferential surface 112 of the cup portion 110 may be formed close to vertical with respect to the bottom surface 111 by the molding apparatus and molding method according to an embodiment of the present invention.
  • an angle formed by the circumferential surface 112 of the cup portion 110 with respect to the bottom surface 111 or the terrace 120 of the cup portion 110 may be 90 degrees to 95 degrees.
  • the clearance CL between the first edge 113 and the second edge 114 can be minimized.
  • the clearance CL is an imaginary first vertical line V1 perpendicularly passing through the boundary point P1 between the first edge 113 and the circumferential surface 112, and the second edge 114 and the circumference. It may mean a distance between imaginary second vertical lines V2 perpendicularly passing through the boundary point P2 of the surface 112 .
  • the clearance CL between the first edge 113 and the second edge 114 may be 0.1 mm or less.
  • the clearance CL may be zero.
  • the clearance CL between the first edge 113 and the second edge 114 may be equal to or less than the radius of curvature R1 of the first edge 113 and the radius of curvature R2 of the second edge 114. there is.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the molding apparatus according to the present embodiment may further include a flexible bag 23 and a bag body 24 .
  • the flexible bag 24 may be disposed in the second space S2 (see FIG. 2) of the stripper 20.
  • the flexible bag 24 may contact the pouch film F, more specifically, the target area 110 .
  • the flexible bag 24 is inflated by the pressing part 30 and can apply pressure to the target area 110 , and the target area 110 can be stretched into the first space S1 .
  • the bag body 24 may be connected to the flexible bag 23 .
  • the bag body 24 may seal the inner space of the flexible bag 23 . That is, the inner space of the flexible bag 23 may be defined by the flexible bag 23 and the bag body 24 .
  • the bag body 24 may seal the second space (S2) of the stripper (20).
  • the second space (S2) of the stripper 20 may be open to the upper side.
  • the bag body 24 may cover the second space S2 from the upper side in a state where the flexible bag 23 is inserted into the second space S2. That is, the bag body 24 may serve as the cover part 21 (see FIG. 2) described in the previous embodiment.
  • a passage 24a may be formed in the bag body 24 to communicate the pressure portion 30 and the inner space of the flexible bag 23 .
  • the pressing unit 30 may control the internal pressure of the flexible bag 23 by allowing fluid to flow in and out through the passage 24a.
  • the fluid is a term encompassing both liquid and gas. That is, the pressing unit 30 may apply pneumatic or hydraulic pressure to the target area 110 .
  • the pressing unit 30 may include a pneumatic pump or a hydraulic pump.
  • the target area 110 is formed between the first space S1 and the flexible bag 23. It can be extended into the first space (S1) by the pressure difference between the.
  • the thickness t of the target region 110 may uniformly decrease as a whole while the target region 110 is being stretched. Accordingly, it is possible to minimize the concentration of stress in a local area on the target area 110 .
  • the pressure unit 30 applies hydraulic pressure to the pouch film F using a liquid
  • the liquid may not come into contact with the stripper 20 and the pouch film F by the flexible bag 23. Thereby, it is possible to eliminate the possibility that the molding apparatus may fail or malfunction due to the liquid.
  • the molding method according to the above-described embodiment can be performed by the molding apparatus according to another embodiment of the present invention, and the cup portion 110 of the battery case 100 can be molded. There will be.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the molding apparatus does not include the first punch 40 and the second punch 50, and uses pneumatic or hydraulic pressure on both sides of the pouch film F to form the cup portion 110. can be molded.
  • the pressing unit 30 applies hydraulic pressure to the pouch film F as in the other embodiments described above will be described as an example.
  • the flexible bag 23 is referred to as a 'first flexible bag' and the bag body 24 is referred to as a 'first bag body'.
  • the pressing unit 30 it is not limited thereto, and it is also possible for the pressing unit 30 to apply air pressure to the pouch film F as in the above-described embodiment.
  • the molding apparatus may further include a lower body 60, a second flexible bag 63, a second bag body 34, and a sub-pressing part 70. .
  • the lower body 60 may be disposed below the die 10 .
  • a third space S3 communicating with the first space S1 of the die 10 may be formed in the lower body 60 .
  • the lower body 60 may be manufactured separately from the die 10 . However, it is not limited thereto, and the lower body 60 and the die 10 may be integrally formed.
  • the second flexible bag 63 is disposed in the third space S3 and expands into the first space S1 to contact the pouch film F.
  • the second bag body 64 may be connected to the second flexible bag 63 .
  • the second bag body 64 may seal the inner space of the second flexible bag 63 . That is, the inner space of the second flexible bag 63 may be defined by the second flexible bag 63 and the second bag body 64 .
  • the second bag body 64 may seal the third space S3 of the lower body 60 .
  • the third space (S3) may be open to the lower side, and the second bag body 64 is the third space (with the second flexible bag 63 inserted into the third space S3). S3) can be covered from the lower side.
  • a passage 64a may be formed in the second bag body 64 to communicate the inner space of the sub pressing unit 70 and the second flexible bag 63 .
  • the sub pressurizing unit 70 may control the internal pressure of the second flexible bag 63 by allowing fluid to flow in and out through the passage 64a.
  • the fluid is a term encompassing both liquid and gas. That is, the sub-pressing unit 70 may apply pneumatic or hydraulic pressure to the target area 110 .
  • the sub pressurization unit 70 may include a pneumatic pump or a hydraulic pump.
  • the distance d1 between the pouch film F and the first bag body 24 may be shorter than the distance d2 between the pouch film F and the second bag body 64 . Accordingly, while the first flexible bag 23 uniformly presses the target area 100 as a whole, the second flexible bag 63 may press only a part of the target area 100 according to the degree of expansion, or the target area 100 may be pressed. (100) may be pressed as a whole. This will be described in detail later.
  • FIGS. 13A to 13C are diagrams for explaining the operation of the molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the molding method according to the present embodiment includes a preparation step (S10) in which the pouch film (F) is inserted between the die 10 and the stripper 20, and a fixing step in which the stripper 20 fixes the pouch film (F) (S20) and a pressing step (S30') of applying pneumatic or hydraulic pressure to the pouch film (F).
  • the preparation step (S10) and the fixing step (S20) use the contents described above.
  • the pressing unit 30 adjusts the internal pressure of the first flexible bag 23 and the sub-pressing unit 70 adjusts the internal pressure of the second flexible bag 63 so that the pouch film F Pneumatic or hydraulic pressure can be applied to Therefore, isostatic pressure may act on the pouch film F, more specifically, the target area 110, and the target area 110 may be stretched into the first space S1 and formed into the cup portion 110.
  • the pressing step (S30') may include a preforming process (S31'), a primary molding process (S32'), and a secondary molding process (S33').
  • the first flexible bag 23 may press the pouch film F, more specifically, the target area 110 during the preforming process (S31′). At this time, the pressure applied to the target region 110 may be appropriately adjusted so that the remaining thickness of the target region 110 is not excessively thin.
  • the first flexible bag 23 is inflated by the pressing part 30 and may exert an isostatic pressure on the target area 110 .
  • the target area 110 may be uniformly extended to the first space S1 and form a predetermined curved surface.
  • the curved surface formed by the target area 110 has the lowest central portion and may be formed to be higher as it is closer to the inner circumference of the first space S1.
  • the second flexible bag 63 expands into the first space S1 and presses the pouch film F, more specifically, the target area 110. can do. At this time, the first flexible bag 23 can continuously maintain the pressure applied to the target area 110 .
  • the second flexible bag 63 Since the second bag body 64 is located farther from the pouch film F than the first bag body 63, the second flexible bag 63 is formed in the target area 110 during the first molding process (S32'). You can touch the central part. At this time, the internal pressure of the second flexible bag 63 may be higher than that of the first flexible bag 23 .
  • a portion of the target area 110 may be compressed between the first flexible bag 23 and the second flexible bag 63 and formed convex upward, and another portion of the target area 110 may be formed to be convex upward. It is spaced apart from the flexible bag 63 and may be in contact with or adjacent to the inner circumference of the first space (S1).
  • the part of the target area 110 is referred to as a first area 111 and the other part of the target area 110 is referred to as a second area 112 .
  • the second region 112 can be easily stretched in the subsequent secondary molding process (S33'). . Therefore, wrinkles due to buckling do not occur on the circumferential surface 112 of the cup portion 110, and there is an advantage in that the cup portion 110 can be formed deeply.
  • the intersection of the first region 111 and the second region 112 forms an acute angle
  • the second region 112 is formed within the first space S1 in the subsequent secondary molding process (S33'). It can be easily adhered to the circumference.
  • the circumferential surface 112 of the cup portion 110 can be formed perpendicular to the bottom surface 111, the radius of curvature of the edge and corner of the cup portion 110 can be minimized, and the corner of the cup portion 110 stress concentration can be prevented.
  • the internal pressures of the first flexible bag 23 and the second flexible bag 63 may be adjusted to be equal to each other.
  • the internal pressure of the first flexible bag 23 and the second flexible bag 63 may be higher than the internal pressure of the second flexible bag 63 at the time of the first molding process (S32′).
  • the first area 111 can be flatly compressed between the first flexible bag 23 and the second flexible bag 63, and the second area 112 is the inner circumference of the first space S1. can be adhered to. Thus, molding of the cup portion 110 may be completed.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 성형 장치는, 파우치 필름에 컵부를 성형할 수 있다. 상기 성형 장치는, 상면에 상기 파우치 필름이 안착되며 상기 상면에서 함몰된 제1공간이 형성된 다이; 상기 다이의 상측에서 상기 파우치 필름을 고정시키며, 상기 제1공간과 대응되는 위치에 제2공간이 형성된 스트리퍼; 및 상기 파우치 필름의 일부가 상기 제1공간 내로 연신되도록 상기 제2공간을 통해 상기 파우치 필름에 공압 또는 유압을 가하는 가압부를 포함할 수 있다.

Description

성형 장치 및 성형 방법과, 그에 의해 제조되는 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2021년 08월 24일자 한국특허출원 제10-2021-0111974호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은, 파우치 필름에 컵부를 성형하는 성형 장치 및 방법과, 그에 의해 제조되는 파우치형 전지 케이스와, 상기 파우치형 전지 케이스를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이러한 이차 전지를 제조하기 위해, 먼저 전극 활물질 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(Electrode Assembly)를 형성한다. 그리고 전지 케이스에 전극 조립체를 수납하고 전해질 주입 후 실링한다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 유연한 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
일반적으로 파우치형 전지 케이스는 유연성을 가지는 파우치 필름에 프레스 가공을 수행하여 컵부를 형성함으로써 제조된다. 그리고, 컵부가 형성되면 상기 컵부의 내부에 전극 조립체를 수납하고 사이드를 실링하여 이차 전지를 제조한다.
이러한 프레스 가공 중에서 드로잉(Drawing) 성형은 프레스 장비와 같은 성형 장치에 파우치 필름을 삽입하고 펀치로 파우치 필름에 압력을 인가하여, 파우치 필름을 연신시킴으로써 수행된다. 이하, 좀 더 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 성형 장치의 개략도이다.
종래의 성형 장치는, 파우치 필름(F)이 안착되며 성형 공간(2a)이 형성된 다이(2)(die)와, 다이(2)의 상측에서 파우치 필름(F)을 고정하며 개구(3a)가 형성된 스트리퍼(3)(stripper)와, 상기 개구(3a)를 통해 파우치 필름(F)을 연신시키는 펀치(4)(punch)를 포함한다. 그리고, 다이(2) 및 스트리퍼(3)가 펀치(4)에 대해 상승하거나 펀치(4)가 다이(2) 및 스트리퍼(3)에 대해 하강하면, 펀치(4)가 파우치 필름(F)에 압력을 인가하여 파우치 필름(F)의 일부가 성형 공간(2a) 내로 연신될 수 있고, 이로써 파우치 필름(F)에 컵부(110)가 형성될 수 있다.
다만 종래의 성형 장치는, 펀치(4)와 다이(2)가 서로 상대 이동하는 과정에서 파우치 필름(F)이 마찰력에 의해 밀리거나 파손되는 것을 방지하기 위해, 펀치(4)의 외둘레와 다이(2)의 성형 공간(2a)의 내둘레 사이에 소정의 클리어런스(g)이 필요하다. 따라서, 파우치 필름(F)에 형성된 컵부(110)의 둘레면(112)은 컵부(110)의 바닥면(111)에 대해 다소 경사지게 형성된다. 이로 인해, 컵부(110) 내에서 전극 조립체(미도시)가 차지하지 않는 빈 공간이 발생하여 이차 전지의 에너지 밀도가 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 성형 장치는 펀치(4)가 파우치 필름(F)을 가압할 때 펀치(4)의 코너에서 응력이 집중된다. 이로 인해 파우치 필름(F)에 컵부(110)가 깊게 형성되면 컵부(110)의 코너가 과도하게 연신되어 잔존 두께가 얇아지게 되고, 컵부(110)의 코너에 크랙(crack)이나 핀 홀(pin-hole)이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 성형 장치에 의해 형성된 컵부(110)의 둘레면(112)은 충분히 연신되지 않아 압축력이 작용하여, 좌굴(buckling)에 의한 주름(wrinkle)이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 컵부의 깊이를 충분히 깊게 성형하면서도 컵부의 코너의 잔존 두께를 두껍게 유지 가능한 성형 장치 및 성형 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 성형 장치 및 성형 방법에 의해 제조된 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 성형 장치는, 파우치 필름에 컵부를 성형할 수 있다. 상기 성형 장치는, 상면에 상기 파우치 필름이 안착되며 상기 상면에서 함몰된 제1공간이 형성된 다이; 상기 다이의 상측에서 상기 파우치 필름을 고정시키며, 상기 제1공간과 대응되는 위치에 제2공간이 형성된 스트리퍼; 및 상기 파우치 필름의 일부가 상기 제1공간 내로 연신되도록 상기 제2공간을 통해 상기 파우치 필름에 공압 또는 유압을 가하는 가압부를 포함할 수 있다.
상기 스트리퍼에는 상기 제2공간을 상측에서 밀폐하는 커버부가 구비되고, 상기 스트리퍼 또는 커버부에는 상기 가압부와 상기 제2공간을 연통시키는 통로가 형성되며, 상기 가압부는 상기 통로를 통해 기체를 출입시켜 상기 제2공간의 내압을 제어할 수 있다.
상기 성형 장치는, 상기 제2공간에 배치되며 상기 파우치 필름에 접촉하는 플렉시블 백; 및 상기 제2공간을 밀폐하고 상기 플렉시블 백이 연결되며, 상기 가압부와 상기 플렉시블 백을 연통시키는 통로가 형성된 백 바디를 더 포함할 수 있다. 상기 가압부는, 상기 통로를 통해 유체를 출입시켜 상기 플렉시블 백의 내압을 제어할 수 있다.
상기 성형 장치는, 상기 제1공간으로 삽입되며, 상기 파우치 필름을 향해 볼록하게 형성된 곡면을 갖는 제1펀치를 더 포함할 수 있다.
상기 곡면은, 중앙부가 가장 높고, 상기 제1공간의 내둘레에 가까워질수록 높이가 낮아지게 형성될 수 있다.
상기 제1펀치가 상기 제1공간으로 삽입된 상태에서, 상기 곡면의 중앙부는 상기 다이의 상면보다 낮은 높이에 위치할 수 있다.
상기 제1공간은 제1방향에 대해 제1폭을 가지고, 상기 제1방향과 직교하는 제2방향에 대해 제2폭을 가지며, 상기 곡면은, 하기 수학식에 의해 정의되는 타원체(ellipsoid)의 일부일 수 있다.
Figure PCTKR2022012642-appb-img-000001
(x는 상기 제1방향에 대한 좌표이고, y는 상기 제2방향에 대한 좌표이고, z는 수직 방향에 대한 좌표이고, a는 상기 제1폭의 절반이고, b는 상기 제2폭의 절반이고, c는 a와 b의 평균값에 0.2 내지 0.6인 보정 상수를 곱한 값)
상기 성형 장치는, 상기 제1공간으로 삽입되며, 상기 파우치 필름을 향하는 평면을 갖는 제2펀치를 더 포함할 수 있다.
상기 가압부는, 상기 제1공간에 상기 제1펀치가 삽입된 상태일때보다 상기 제2펀치가 삽입된 상태일 때 더 높은 압력을 가할 수 있다.
상기 제2펀치가 상기 제1공간으로 삽입된 상태일 때 상기 평면과 상기 다이의 상면 사이의 높이차는, 상기 제1펀치가 상기 제1공간으로 삽입된 상태일 때 상기 곡면과 상기 다이의 상면 사이의 높이차보다 클 수 있다.
상기 성형 장치는, 상기 다이의 하측에 위치하고, 상기 제1공간과 연통되는 제3공간이 형성된 로어 바디; 상기 제3공간에 배치되고, 상기 제1공간으로 팽창하여 상기 파우치 필름에 접촉하는 플렉시블 백; 상기 제3공간을 밀폐하고 상기 플렉시블 백이 연결된 백 바디; 및 상기 백 바디에 형성된 통로를 통해 유체를 출입시켜 상기 플렉시블 백의 내압을 제어하는 서브 가압부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 성형 방법은, 파우치 필름에 컵부를 성형할 수 있다. 상기 성형 방법은, 상기 파우치 필름이 다이와 스트리퍼의 사이로 삽입되는 준비 단계; 상기 스트리퍼가 상기 파우치 필름을 고정하는 고정 단계; 및 상기 파우치 필름의 일부가 상기 다이에 형성된 제1공간으로 연신되도록, 가압부가 상기 스트리퍼에 형성된 제2공간을 통해 상기 파우치 필름에 공압 또는 유압을 가하는 가압 단계를 포함할 수 있다.
상기 가압 단계는, 상면이 곡면인 제1펀치가 상기 다이의 상기 제1공간으로 삽입되고, 상기 파우치 필름의 일부가 상기 곡면에 밀착되되, 상기 곡면은 상측을 향해 볼록하게 형성된 1차 성형 과정; 및 상면이 평면인 제2펀치가 상기 제1공간으로 삽입되고, 상기 파우치 필름의 일부가 상기 평면에 밀착되는 2차 성형 과정을 포함할 수 있다.
상기 2차 성형 과정 시 상기 파우치 필름에 작용하는 압력은, 상기 1차 성형 과정 시 상기 파우치 필름에 작용하는 압력보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 성형 방법은, 파우치 필름에 컵부를 성형하는 성형할 수 있다. 상기 성형 방법은, 상기 파우치 필름이 다이와 스트리퍼의 사이로 삽입되는 준비 단계; 상기 스트리퍼가 상기 파우치 필름을 고정하는 고정 단계; 및 상기 파우치 필름의 일부가 상기 다이에 형성된 제1공간으로 연신되어 상기 컵부로 성형되도록 상기 파우치 필름에 공압 또는 유압을 가하는 가압 단계를 포함할 수 있다. 상기 가압 단계는, 상기 스트리퍼에 형성된 제2공간 내에 배치된 제1플렉시블 백이 상기 파우치 필름을 상기 제1공간으로 연신시키는 예비 성형 과정; 제2플렉시블 백이 상기 제1공간 내로 팽창하고 상기 파우치 필름의 일부를 가압하여, 상기 파우치 필름의 일부가 상측으로 볼록하게 형성되는 1차 성형 과정; 및 상기 제1플렉시블 백과 상기 제2플렉시블 백의 내압이 동일하게 조절되어, 상기 파우치 필름의 일부가 평평하게 형성되는 2차 성형 과정을 포함할 수 있다.
상기 1차 성형 과정 시, 상기 제2플렉시블 백의 내압은 상기 제1플렉시블 백의 내압보다 높을 수 있다.
상기 2차 성형 과정 시 상기 제1플렉시블 백 및 제2플렉시블 백의 내압은, 상기 1차 성형 과정 시 상기 제2플렉시블 백의 내압보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파우치형 전지 케이스는, 만입된 형상을 갖는 컵부; 및 상기 컵부의 둘레의 적어도 일부에 위치한 테라스를 포함할 수 있다. 상기 컵부는, 바닥면; 상기 바닥면과 상기 테라스를 연결하는 복수개의 둘레면; 및 상기 복수개의 둘레면 중 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면과 상기 바닥면이 만나는 코너를 포함할 수 있다. 상기 코너의 두께는 상기 바닥면의 두께의 0.75배 내지 0.85배일 수 있다.
상기 바닥면 또는 테라스에 대해, 상기 둘레면이 이루는 각도는 90도 내지 95도일 수 있다.
상기 코너의 곡률 반경은 0.75 mm 내지 1.25 mm 일 수 있다.
상기 컵부는, 상기 둘레면과 상기 테라스가 만나며 라운드지게 형성된 제1엣지; 및 상기 바닥면과 상기 둘레면이 만나며 라운드지게 형성된 제2엣지를 더 포함할 수 있다. 상기 제1엣지와 상기 제2엣지 사이의 클리어런스는 0.1 mm 이하일 수 있다.
상기 제1엣지 및 제2엣지의 곡률 반경은, 0.1 mm 이상 0.5 mm 미만일 수 있다.
상기 컵부는, 상기 바닥면과 상기 둘레면이 만나며 라운드지게 형성된 제1엣지; 및 상기 둘레면과 상기 테라스가 만나며 라운드지게 형성된 제2엣지를 더 포함할 수 있다. 상기 제1엣지와 상기 제2엣지 사이의 클리어런스는, 상기 제1엣지 및 제2엣지의 곡률 반경 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는, 전극 조립체; 및 만입된 형상을 가지며 상기 전극 조립체가 수용된 컵부와, 상기 컵부의 둘레의 적어도 일부에 위치한 테라스를 갖는 파우치형 전지 케이스를 포함할 수 있다. 상기 컵부는, 바닥면; 상기 바닥면과 상기 테라스를 연결하는 복수개의 둘레면; 및 상기 복수개의 둘레면 중 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면과 상기 바닥면이 만나는 코너를 포함할 수 있다. 상기 코너의 두께는 상기 바닥면의 중앙부의 두께의 0.75배 내지 0.85배일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 파우치 필름이 공압 또는 유압에 의해 연신되어 컵부가 성형되므로, 상기 컵부의 코너에 응력이 집중되는 것이 최소화될 수 있다. 이로써, 컵부를 깊게 성형하더라도 코너의 잔존 두께가 두껍게 유지될 수 있고, 코너에 크랙이나 핀홀 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 컵부의 성형 과정에서 컵부의 둘레면이 충분히 연신될 수 있다. 이로써, 컵부의 둘레면에 좌굴(buckling)에 의한 주름(wrinkle)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 컵부의 엣지 및 코너의 곡률 반경이 최소화될 수 있고 컵부의 둘레부가 수직에 가깝게 형성될 수 있다. 이로써, 이차 전지의 외관이 샤프해지고 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 종래의 성형 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이의 저면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치에 의해 실시되는 성형 방법의 순서도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 'A'에 대한 확대도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 내부가 도시된 단면도이다.
도 9는 도 8의 'B'에 대한 확대도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 성형 장치의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 성형 장치의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 성형 장치에 의해 실시되는 성형 방법의 순서도이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 성형 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치의 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이의 저면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치는, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치는, 상면에 파우치 필름(F)이 안착되는 다이(10)와, 다이(10)의 상측에서 파우치 필름(F)을 고정시키는 스트리퍼(20)와, 파우치 필름(F)에 공압 또는 유압을 가하는 가압부(30)를 포함한다. 상기 성형 장치는, 제1공간(S1)으로 삽입되는 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)를 더 포함할 수 있다.
파우치 필름(F)는 소정의 두께(t)를 가질 수 있다. 파우치 필름(F)은 양 최외각에 위치한 한 쌍의 수지층과, 한 쌍의 수지층의 사이에 위치한 금속층이 라미네이트된 라미네이트 시트일 수 있다.
다이(10)의 상면에는 파우치 필름(F)이 안착될 수 있다. 다이(10)에는 상면에서 하방으로 함몰된 제1공간(S1)이 형성될 수 있다. 제1공간(S1)은 상측 및 하측에 대해 개방될 수 있다. 파우치 필름(F)이 다이(10)의 상면에 안착되면, 파우치 필름(F)은 제1공간(S1)을 상측에서 커버할 수 있다. 그리고, 후술할 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)는 다이(10)의 하측에서 제1공간(S1)에 삽입될 수 있다.
다이(10)의 제1공간(S1)의 단면은 대략 사각형일 수 있다. 좀 더 상세히, 제1공간(S1)은 제1방향에 대해 제1폭(W1)을 가지고, 상기 제1방향과 직교하는 제2방향에 대해 제2폭(W2)을 가질 수 있다. 즉, 상기 제1방향은 제1공간(S1)의 가로 방향과 나란하고, 상기 제2방향은 제1공간(S1)의 세로 방향과 나란할 수 있다. 그리고, 제1폭(W1)은 제1공간(S1)의 가로폭이고, 제2폭(W2)은 제1공간(S1)의 세로폭일 수 있다.
스트리퍼(20)는 파우치 필름(F)을 사이에 두고 다이(10)를 마주볼 수 있다. 스트리퍼(20)는 다이(10)에 대해 승강 가능하게 구성될 수 있다. 파우치 필름(F)은 스트리퍼(20)가 상승한 상태에서 다이(1)와 스트리퍼(20)의 사이로 삽입될 수 있고, 이후 스트리퍼(20)가 하강하면 파우치 필름(F)은 다이(10)와 스트리퍼(20)의 사이에 고정될 수 있다.
스트리퍼(20)에는 제2공간(S2)이 형성될 수 있다. 제2공간(S2)은 다이(10)의 제1공간(S1)과 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
본 실시예의 경우, 제2공간(S2)은 상측에 대해 밀폐되고 하측에 대해 개방될 수 있다. 좀 더 상세히, 스트리퍼(20)에는 제2공간(S2)을 상측에서 밀폐하는 커버부(21)가 구비될 수 있다. 커버부(21)는 스트리퍼(20)와 별개의 구성으로서 스트리퍼(20)에 체결되거나, 스트리퍼(20)와 일체로 형성될 수도 있다.
커버부(21)에는, 후술할 가압부(30)와 제2공간(S2)을 연통시키는 통로(21a)가 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 통로(21a)가 스트리퍼(20)에 형성되는 것도 가능함은 물론이다.
스트리퍼(20)가 파우치 필름(F)을 고정시키면, 파우치 필름(F)은 제2공간(S1)을 하측에서 커버할 수 있다. 즉, 파우치 필름(F)이 다이(10)와 스트리퍼(20)의 사이에 고정된 상태에서, 파우치 필름(F)의 일부는 제1공간(S1)과 제2공간(S2)의 사이에 위치할 수 있다. 이하, 파우치 필름(F) 중에서 제1공간(S1)과 제2공간(S2)의 사이에 위치한 부분을 타겟 영역(110)으로 명명한다.
가압부(30)는 제2공간(S2)을 통해 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)에 공압 또는 유압을 가할 수 있다. 이로 인해, 타겟 영역(110)이 제1공간(S1) 내로 연신될 수 있고, 타겟 영역(110)은 컵부로 성형될 수 있다. 따라서, 컵부는 타겟 영역(110)과 동일한 도면 부호인 '110'으로 표시한다.
파우치 필름(F)의 타겟 영역(110)은 제1공간(S1) 내로 연신되며 컵부(110)로 성형되므로, 컵부(110)의 가로 길이는 제1공간(S1)의 제1폭(W1)과 동일 또는 유사하고, 컵부(110)의 세로 길이는 제1공간(S1)의 제2폭(W2)과 동일 또는 유사할 수 있다.
가압부(30)의 구성은 한정되지 않는다. 본 실시예의 경우, 가압부(30)는 타겟 영역(110)에 공압을 가할 수 있다. 예를 들어, 가압부(30)는 공압 펌프를 포함할 수 있다.
좀 더 상세히, 가압부(30)는 통로(21a)를 통해 제2공간(S2)에 기체를 출입시켜 제2공간(S2)의 내압을 제어할 수 있다. 따라서, 제2공간(S2)의 내압이 제1공간(S1)의 내압(예를 들어, 대기압)보다 높아지면, 타겟 영역(110)은 제1공간(S1)과 제2공간(S2) 사이의 압력차에 의해 제1공간(S1) 내로 연신될 수 있다.
즉, 타겟 영역(110)에는 등방압(Isostatic Press)이 작용하므로 타겟 영역(110)이 연신되는 과정에서 타겟 영역(110)의 두께(t)는 전체적으로 균일하게 감소할 수 있다. 이로써, 타겟 영역(110) 상 국소 영역에 응력이 집중되는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)는 다이(10)의 하측에서 제1공간(S1)으로 삽입될 수 있다. 좀 더 상세히, 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)는 제1공간(S1)에 택일적으로 삽입될 수 있다.
예를 들어, 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)는 다이(10)에 대해 수평 이동할 수 있고, 다이(10)는 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)에 대해 승강할 수 있다. 이 경우, 제1펀치(40)가 제1공간(S1)의 하측에 위치하도록 얼라인된 상태에서 다이(10)가 하강하면, 제1펀치(40)가 제1공간(S1)으로 삽입될 수 있다. 또한, 제2펀치(50)가 제1공간(S1)의 하측에 위치하도록 얼라인된 상태에서 다이(10)가 하강하면, 제2펀치(50)가 제1공간(S1)으로 삽입될 수 있다.
다만 이에 한정되는 것은 아니며, 다이(10)가 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)에 대해 수평 이동하거나, 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)가 다이(10)에 대해 승강하도록 구성되는 것도 가능함은 물론이다.
각 펀치(40)(50)의 외둘레는 다이(10)의 제1공간(S1)의 내둘레와 접하거나 인접할 수 있다. 이는 파우치 필름(F)이 펀치(40)(50)의 외둘레와 제1공간(S1)의 내둘레 사이로 들어가지 않기 때문이다.
제1펀치(40)는 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)을 향해 볼록하게 형성된 곡면(41)을 가질 수 있다. 즉, 상기 곡면(41)은 제1펀치(40)의 상면을 이룰 수 있다. 상기 곡면(41)은 중앙부가 가장 높고 제1공간(S1)의 내둘레에 가까워질수록 높이가 낮아지게 형성될 수 있다. 좀 더 상세히, 상기 곡면(41)은 타원체(ellipsoid)의 일부에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
제1펀치(40)가 제1공간(S1)에 삽입된 상태에서, 타겟 영역(110)은 가압부(30)에 의해 가압되어 제1펀치(40)의 곡면(41)에 밀착될 수 있다.
제2펀치(50)는, 제1펀치(40)가 제1공간(S1)에서 이탈된 이후에, 제1공간(S1)으로 삽입될 수 있다.
제2펀치(50)는 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)을 향하는 평면(51)을 가질 수 있다. 즉, 상기 평면(51)은 제2펀치(40)의 상면을 이룰수 있다.
제2펀치(50)가 다이(10)의 제1공간(S1)에 삽입된 상태에서, 타겟 영역(110)은 가압부(30)에 의해 가압되어 제2펀치(50)의 평면(51)에 밀착될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치에 의해 실시되는 성형 방법의 순서도이고, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 성형 방법은, 파우치 필름(F)이 다이(10)와 스트리퍼(20)의 사이로 삽입되는 준비 단계(S10)와, 스트리퍼(20)가 파우치 필름(F)을 고정하는 고정 단계(S20)와, 파우치 필름(F)에 공압 또는 유압을 가하는 가압 단계(S30)를 포함할 수 있다.
준비 단계(S10) 시, 스트리퍼(20)는 다이(10)에 대해 소정의 높이만큼 상승할 수 있고, 파우치 필름(F)은 다이(10)와 스트리퍼(20)의 사이로 삽입될 수 있다. 따라서, 파우치 필름(F)은 다이(10)의 상면이 안착될 수 있다.
고정 단계(S20) 시, 스트리퍼(20)는 다이(10)를 향해 하강할 수 있고, 파우치 필름(F)은 다이(10)와 스트리퍼(20)의 사이에 고정될 수 있다. 이 때, 파우치 필름(F)의 타겟 영역(110)은 다이(10)의 제1공간(S1)과 스트리퍼(20)의 제2공간(S2)의 사이에 위치할 수 있다.
가압 단계(S30) 시, 가압부(30)는 스트리퍼(30)의 제2공간(S2)을 통해 파우치 필름(F)에 공압 또는 유압을 가할 수 있다.
본 실시예의 경우, 가압부(30)는 타겟 영역(110)에 공압을 가할 수 있다. 가압부(30)는 통로(21a)를 통해 제2공간(S2)의 내압을 증가시켜 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)에 등방압을 가할 수 있다. 이로써, 타겟 영역(110)은 제1공간(S1) 내로 연신되어 컵부(110)로 성형될 수 있다.
좀 더 상세히, 가압 단계(S30)는 예비 성형 과정(S31)과, 1차 성형 과정(S32)과, 2차 성형 과정(S33)을 포함할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 예비 성형 과정(S31) 시 가압부(30)는 제1공간(S1)이 개방된 상태에서 타겟 영역(110)을 가압할 수 있다. 이 때, 가압부(30)에 의해 타겟 영역(110)에 가해지는 압력은, 타겟 영역(110)의 잔존 두께가 과도하게 얇아지지 않도록 적절하게 조절될 수 있다.
좀 더 상세히, 예비 성형 과정(S31)에서 연신된 타겟 영역(110)의 잔존 두께는, 파우치 필름(F)의 두께(t)의 90 % 내외일 수 있다. 즉, 타겟 영역(110)의 두께는 대략 10 % 감소하고, 타겟 영역(110)의 면적은 대략 10% 증가할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 타겟 영역(110)에는 등방압이 작용하므로, 타겟 영역(110)이 제1공간(S1)으로 균일하게 연신되며 소정의 곡면을 이룰 수 있다. 타겟 영역(110)이 이루는 곡면은 중앙부가 가장 낮고, 제1공간(S1)의 내둘레에 가까울수록 더 높아지게 형성될 수 있다.
좀 더 상세히, 타겟 영역(110)이 이루는 곡면은 하기 수학식 1에 의해 정의되는 타원체(ellipsoid)의 일부를 이룰 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2022012642-appb-img-000002
상기 수학식 1에서, x는 제1공간(S1)의 가로 방향과 나란한 제1방향에 대한 좌표이고, y는 제1공간(S1)의 세로 방향과 나란한 제2방향에 대한 좌표이고, z는 수직 방향에 대한 좌표이다. 그리고, a는 제1폭(W1)의 절반이고, b는 제2폭(W2)의 절반이고, 상기 c1은, 타겟 영역(110)이 이루는 곡면의 깊이이다.
상기 c1는 a와 b의 평균값과 비례할 수 있다. 예를 들어, 타겟 영역(110)의 두께가 10 % 정도 감소하도록 연신된 경우, c1는 a와 b의 평균값의 대략 0.4배일 수 있다. 따라서 당업자는, a와 b를 곱한 값이 일정하고 타겟 영역(110)의 잔존 두께가 일정한 조건이면, a와 b의 비율이 1에 가까울수록 c1이 증가함을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 5b를 참조하면, 1차 성형 과정(S32) 시, 제1펀치(40)가 다이(10)의 제1공간(S1)으로 삽입될 수 있다. 이 때, 가압부(30)는 타겟 영역(110)에 가하던 압력을 계속하여 유지시킬 수 있다.
제1펀치(40)가 제1공간(S1)으로 삽입된 상태에서, 제1펀치(40)의 곡면(41)의 중앙부는 다이(10)의 상면보다 낮은 높이에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 제1펀치(40)는, 예비 성형 과정(S31)에서 연신된 타겟 영역(110)과 간섭되지 않는 높이로 제1공간(S1)에 삽입될 수 있다.
제1펀치(40)의 곡면(41)은, 예비 성형 과정(S31)에서 연신된 타겟 영역(110)이 이루는 곡면과 대략 대칭 형상을 가질 수 있다. 즉, 제1펀치(40)의 곡면(41)은 하기 수학식 2에 의해 정의되는 타원체(ellipsoid)의 일부를 이룰 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2022012642-appb-img-000003
상기 수학식 2에서, x는 제1공간(S1)의 가로 방향과 나란한 제1방향에 대한 좌표이고, y는 제1공간(S1)의 세로 방향과 나란한 제2방향에 대한 좌표이고, z는 수직 방향에 대한 좌표이다. 그리고, a는 제1폭(W1)의 절반이고, b는 제2폭(W2)의 절반이고, c2는 a와 b의 평균값에 소정의 보정 상수(k)를 곱한 값이다.
앞서 수학식 1에서 설명한 바와 같이, 예비 성형 과정(S31)에서 타겟 영역(110)의 두께가 10 % 정도 감소하도록 연신된 경우, c1은 a와 b의 평균값의 대략 0.4배일 수 있다.
따라서, c2가 c1과 대응되도록, 상기 보정 상수(k)는 0.4를 중앙값으로 하는 소정의 범위 내에서 결정될 수 있다. 좀 더 상세히, 상기 보정 상수(k)는 0.2 내지 0.6일 수 있고, 성형하고자 하는 컵부(110)의 깊이에 따라 적절하게 결정될 수 있다.
이러한 제1펀치(40)의 곡면(41)의 형상에 의해, 1차 성형 과정(S32) 시 타겟 영역(110)의 일부는 곡면(41)에 밀착되고 타겟 영역(110)의 다른 일부는 제1공간(S1)의 내둘레에 접하거나 인접할 수 있다. 이하, 타겟 영역(110)의 상기 일부를 제1영역(111)으로 명명하고, 타겟 영역(110)의 상기 다른 일부를 제2영역(112)으로 명명한다.
제1영역(111)은 이후에 컵부(110)의 바닥면으로 성형되고, 제2영역(112)은 이후에 컵부(110)의 둘레면으로 성형될 수 있다. 따라서, 컵부(110)의 바닥면은 제1영역(111)과 동일한 도면 부호인 '111'으로 표시하고, 컵부(110)의 둘레면은 제2영역(112)과 동일한 도면 부호인 '112'로 표시한다.
1차 성형 과정(S32)에서 제1영역과 제2영역(112)이 미리 구분되어 형성되므로, 이후의 2차 성형 과정(S33)에서 제2영역(112)이 용이하게 연신될 수 있다. 따라서, 컵부(110)의 둘레면(112)에 좌굴(buckling)에 의한 주름(wrinkle)이 발생하지 않고, 컵부(110)를 깊게 성형 가능한 이점이 있다.
또한, 제1영역(111)과 제2영역(112)이 만나는 부분이 예각을 이루게 되므로, 이후의 2차 성형 과정(S33)에서 제2영역(112)이 제1공간(S1)의 내둘레에 용이하게 밀착될 수 있다. 이로써 컵부(110)의 둘레면(112)이 바닥면(111)에 대해 수직하게 형성될 수 있고, 컵부(110)의 엣지 및 코너의 곡률 반경이 최소화될 수 있으며, 컵부(110)의 코너에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 2차 성형 과정(S33) 시 제2펀치(40)가 다이(10)의 제1공간(S1)으로 삽입될 수 있다. 좀 더 상세히, 1차 성형 과정(S32)이 완료되면 제1펀치(40)는 다이(10)의 제1공간(S1)에서 이탈하고, 제2펀치(40)가 다이(10)의 제1공간(S1)으로 삽입되어 2차 성형 과정(S33)이 실시될 수 있다.
제2펀치(50)가 제1공간(S1)으로 삽입된 상태에서, 제2펀치(50)의 평면(51)은 다이(10)의 상면보다 낮은 높이에 위치할 수 있다.
좀 더 상세히, 제2펀치(50)는, 1차 성형 과정(S32) 당시 제1펀치(40)보다 낮은 높이로 제1공간(S1)에 삽입될 수 있다. 즉, 제2펀치(50)가 제1공간(S1)으로 삽입된 상태일 때 평면(51)과 다이(10)의 상면 사이의 높이차(h2)는, 제1펀치(40)가 제1공간(S1)으로 삽입된 상태일 때 곡면(41)과 다이(10)의 상면 사이의 높이차(h1)보다 클 수 있다.
또한, 2차 성형 과정(S32)에서 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)에 작용하는 압력은, 1차 성형 과정(S32)에서의 그것보다 높을 수 있다. 즉, 가압부(30)는, 제1공간(S1)에 제1펀치(40)가 삽입된 상태일때보다 제2펀치(50)가 삽입된 상태일 때 더 높은 압력을 가할 수 있다.
따라서, 2차 성형 과정(S33) 시 제1영역(111)은 제2펀치(50)의 평면(51)에 밀착되고, 제2영역(112)은 제1공간(S1)의 내둘레에 밀착될 수 있다. 이로써, 컵부(110)의 성형이 완료될 수 있다.
좀 더 상세히, 제1영역(111)은 컵부(110)의 바닥면(111)으로서 수평하게 성형될 수 있고, 제2영역(112)은 컵부(110)의 둘레면(112)으로서 수직하게 성형될 수 있다. 또한, 2차 성형 과정(S33) 시, 제2영역(112)이 하방으로 연신되므로 컵부(110)의 깊이가 충분히 깊게 성형될 수 있다.
한편, 가압 단계(S30)가 예비 성형 과정(S31)을 포함하지 않고 곧바로 1차 성형 과정(S32)을 실시하는 것도 가능할 것이다. 이 경우, 가압부(30)는 제1펀치(40)가 다이(10)의 제1공간(S1)에 삽입된 상태된 상태에서 타겟 영역(110)에 대한 가압을 개시할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다.
본 발명에 따른 이차 전지(1)는, 파우치형 전지 케이스(100)(이하, '전지 케이스') 및 상기 전지 케이스(100)에 수용된 전극 조립체(200)를 포함할 수 있다.
전지 케이스(100)는 앞서 설명한 성형 장치 및 성형 방법에 의해 성형될 수 있다. 전지 케이스(100)는 만입된 형상을 갖는 컵부(110)와, 컵부(110)의 둘레의 적어도 일부에 위치한 테라스(120)를 포함할 수 있다. 테라스(120)는 파우치 필름(F)에서 컵부(110)가 미성형된 부분일 수 있다.
좀 더 상세히, 전지 케이스(100)는, 폴딩부(130)로 연결된 한 쌍의 케이스(101)(102)가 서로 실링되어 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 한 쌍의 케이스(101)(102)가 서로 분리된 상태에서 실링되어 전지 케이스(200)를 형성하는 것도 가능함은 물론이다.
또한, 한 쌍의 케이스(101)(102) 중 적어도 하나에는 만입된 형상을 갖는 컵부(110)가 구비될 수 있다. 컵부(110)는 테라스(120)로부터 소정의 깊이만큼 만입되고, 전극 조립체(200)가 수용되는 공간을 형성할 수 있다. 이하에서는 한 쌍의 케이스(101)(102)가 컵부(110)가 형성된 제1케이스(101)와, 컵부(110)가 미형성된 제2케이스(102)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다.
제1케이스(101)는, 컵부(110)의 둘레의 적어도 일부에 위치한 테라스(120)를 포함할 수 있다. 좀 더 상세히, 테라스(120)는 컵부(110)의 둘레면(112)의 상단에 연결될 수 있다.
컵부(110)에 전극 조립체(200)가 수납된 상태에서, 폴딩부(220)는 제2케이스(102)가 컵부(110)를 커버하도록 폴딩될 수 있다. 그리고, 테라스(101)와 제2케이스(102)의 가장자리부를 서로 융착시켜 실링부(140)(도 8 참조)를 형성함으로써, 이차 전지(1)를 형성할 수 있다.
한편, 전극 조립체(200)는, 교대로 적층된 복수개의 전극(210)(도 8 참조) 및 복수개의 분리막(220)을 포함할 수 있다. 복수개의 전극(210)은 분리막(220)을 사이에 두고 번갈아 적층되며 서로 반대 극성을 갖는 양극 및 음극을 포함할 수 있다.
또한, 전극 조립체(200)에는 서로 용접된 복수개의 전극 탭(230)이 구비될 수 있다. 복수개의 전극 탭(230)은 복수개의 전극(210)에 연결될 수 있으며, 전극 조립체(200)로부터 외부로 돌출되어, 전극 조립체(200)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 통로로 작용할 수 있다. 복수개의 전극 탭(230)은 전지 케이스(100)의 내부에 위치할 수 있다.
양극에 연결된 전극 탭(230)과 음극에 연결된 전극 탭(230)은 전극 조립체(200)에 대해 서로 다른 방향으로 돌출될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 양극에 연결된 전극 탭(230)과 음극에 연결된 전극 탭(230)이 서로 나란하게 동일 방향으로 돌출되는 것도 가능하다.
복수개의 전극 탭(230)에는 이차 전지의 외부로 전기를 공급하는 리드(240)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결될 수 있다. 리드(240)는 일단은 복수개의 전극 탭(230)과 연결되고 타단은 전지 케이스(100)의 외부로 돌출될 수 있다.
리드(240)의 일부는 절연부(250)로 주위가 포위될 수 있다. 예를 들어, 절연부(250)는 절연 테이프를 포함할 수 있다. 상기 절연부(250)는 제1케이스(101)의 테라스(120)와 제2케이스(102)의 사이에 위치할 수 있고, 이러한 상태에서 테라스(120)와 제2케이스(102)는 서로 열 융착될 수 있다. 이 경우, 테라스(120) 및 제2케이스(102)의 일부는 절연부(250)와 열 융착될 수 있다. 따라서, 절연부(250)는 전극 조립체(200)로부터 생성되는 전기가 리드(240)를 통해 전지 케이스(100)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(100)의 실링을 유지시킬 수 있다.
도 7은 도 6의 'A'에 대한 확대도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 내부가 도시된 단면도이고, 도 9는 도 8의 'B'에 대한 확대도이다.
이하, 전지 케이스(100)의 컵부(110)의 구성에 대해 자세히 설명한다.
컵부(110)는 바닥면(111) 및 둘레면(112)을 포함할 수 있다. 둘레면(112)은 바닥면(112)과 테라스(120)를 연결할 수 있다. 둘레면(112)은 복수개, 좀 더 상세히는 4개가 구비될 수 있다.
바닥면(111)은 전극 조립체(200)의 일면을 커버할 수 있고, 둘레면(112)은 전극 조립체(200)의 둘레를 포위할 수 있다.
또한, 컵부(110)는, 둘레면(112)과 테라스(120)가 만나는 제1엣지(113)와, 바닥면(111)과 둘레면(112)이 만나는 제2엣지(114)와, 복수개의 둘레면(112) 중 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면(112)이 만나는 제3엣지(115)를 포함할 수 있다. 각 엣지(113)(114)(115)는 소정의 곡률 반경을 갖도록 라운드지게 형셩될 수 있다.
또한, 컵부(110)는, 복수개의 둘레면(112) 중 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면(112)과 바닥면(111)이 만나는 코너(116)를 포함할 수 있다. 즉, 코너(116)는, 서로 인접한 한 쌍의 제2엣지(114)와 제3엣지(115)가 중첩되는 부분일 수 있다. 코너(116)는 소정의 곡률 반경을 가질 수 있다.
컵부(110)의 둘레면(112)이 4개 구비되므로, 각 엣지(113)(114)(115) 및 코너(116)도 각각 4개가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치 및 성형 방법에 의해, 컵부(110)의 각 엣지(113)(114)(115) 및 코너(116)에 응력이 집중되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서, 각 엣지(113)(114)(115) 및 코너(116)의 곡률 반경을 충분히 작게 형성하고, 동시에 코너(116)의 잔존 두께를 충분히 두껍게 형성할 수 있다.
좀 더 상세히, 복수개의 엣지(113)(114)(115) 중 적어도 일부의 곡률 반경은, 0.1 mm 이상 0.5 mm 미만으로 형성될 수 있다. 제1엣지(113)의 곡률 반경(R1)은, 제1엣지(113)의 외면에 대한 곡률 반경일 수 있다. 제2엣지(114)의 곡률 반경(R2)은, 제2엣지(114)의 내면에 대한 곡률 반경일 수 있다.
또한, 코너(116)의 곡률 반경은, 0.75 mm 내지 1.25 mm 로 형성될 수 있다. 코너(116)의 곡률 반경은, 코너(116)의 내면에 대한 곡률 반경일 수 있다.
반면, 종래의 컵부는 펀치의 직접 가압에 의해 성형되므로 컵부의 각 엣지 및 코너에 연신이 집중되고, 그로 인해 컵부의 각 엣지 및 코너에 크랙 등이 발생하는 것을 방지하기 위해, 각 엣지의 곡률 반경을 0.5 mm 내지 1 mm 로 형성하고, 코너의 곡률 반경을 1.5 mm 내지 3 mm 로 형성하였다. 이는 당업자에게 주지의 사실이다. 따라서, 종래의 컵부와 비교하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컵부(110)의 각 엣지(113)(114)(115) 및 코너(116)의 곡률 반경이 작게 형성됨을 확인할 수 있다.
각 엣지(113)(114)(115) 및 코너(116)의 곡률 반경을 충분히 작게 형성되므로, 컵부(110)의 외관이 샤프하게 형성될 수 있다. 또한, 전극 조립체(200)의 전극(210)이 컵부(110)의 둘레면(112)에 매우 인접하게 위치하더라도, 전극(210)과 컵부(110) 간 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
즉, 전극 조립체(200)의 전극(210)이 컵부(110)의 둘레면(112)에 매우 인접하게 배치됨으로써 컵부(110) 내 빈 공간이 줄어들고, 이차 전지의 에너지 밀도가 증가할 수 있으며, 전극 조립체(200)가 컵부(110)의 내부에서 움직이는 것을 방지할 수 있다. 이 경우, 전극(210)보다 외측으로 돌출된 분리막(220)의 가장자리부(220a)는 컵부(110)의 둘레면(111)에 내측에서 접하여 폴딩될 수 있다. 상기 분리막(220)의 가장자리부(220a)는 무작위로 폴딩되거나, 일정한 방향으로 폴딩될 수 있다. 예를 들어, 분리막(220)의 가장자리부(220a)는 바닥면(111)의 반대 방향을 향해 폴딩될 수 있다.
또한, 코너(16)의 두께는 바닥면(111)의 두께의 0.75배 내지 0.85배일 수 있다. 즉, 코너(16)의 두께는 바닥면(111)의 두께보다 15 % 내지 25 % 더 얇게 형성될 수 있다. 이 경우, 바닥면(111)의 두께는 바닥면(111)의 중앙부에서 측정된 두께이고, 코너(16)의 두께는 코너(16)의 중앙부에서 측정된 두께일 수 있다.
반면, 종래의 컵부는 펀치의 직접 가압에 의해 성형되므로 컵부의 코너에 연신이 집중되고, 그로 인해 컵부의 코너의 두께가 컵부의 바닥면의 두께보다 30 % 내지 40 % 더 얇게 형성하였다. 이는 당업자에게 주지의 사실이다. 따라서, 종래의 컵부와 비교하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컵부(110)의 코너(116)의 잔존 두께가 두껍게 형성됨을 확인할 수 있다.
코너(116)의 잔존 두께가 충분히 두꺼우므로, 코너(116)에는 크랙이나 핀홀 등이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 컵부(110)를 더욱 깊게 성형하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 장치 및 성형 방법에 의해, 컵부(110)의 둘레면(112)은 바닥면(111)에 대해 수직에 가깝게 형성될 수 있다. 좀 더 상세히, 컵부(110)의 바닥면(111) 또는 테라스(120)에 대해, 컵부(110)의 둘레면(112)이 이루는 각도는 90도 내지 95도일 수 있다.
따라서, 제1엣지(113)와 제2엣지(114) 간 클리어런스(CL)가 최소화될 수 있다. 이 경우, 상기 클리어런스(CL)는, 제1엣지(113)와 둘레면(112)의 경계점(P1)을 수직하게 통과하는 가상의 제1수직선(V1)과, 제2엣지(114)와 둘레면(112)의 경계점(P2)을 수직하게 통과하는 가상의 제2수직선(V2) 간 거리를 의미할 수 있다.
좀 더 상세히, 제1엣지(113)와 제2엣지(114) 간 클리어런스(CL)는 0.1 mm 이하일 수 있다. 컵부(110)의 둘레면(112)이 완전히 수직하면 상기 클리어런스(CL)는 0일 수 있다.
또한, 제1엣지(113)와 제2엣지(114) 사이의 클리어런스(CL)는, 제1엣지(113)의 곡률 반경(R1) 및 제2엣지(114)의 곡률 반경(R2) 이하일 수 있다.
이로써, 컵부(110) 내에서 빈 공간이 더욱 줄어들게 되므로 이차 전지의 에너지 밀도가 향상되고, 이차 전지의 외관이 더욱 개선될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 성형 장치의 개략도이다.
이하, 앞서 설명한 일 실시예에 따른 성형 장치와 동일한 내용은 원용하고 차이점을 중심으로 설명한다.
본 실시예에 따른 성형 장치는, 플렉시블 백(23) 및 백 바디(24)를 더 포함할 수 있다.
플렉시블 백(24)은 스트리퍼(20)의 제2공간(S2)(도 2 참조)에 배치될 수 있다. 플렉시블 백(24)은 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)에 접촉할 수 있다. 플렉시블 백(24)은 가압부(30)에 의해 팽창되며 타겟 영역(110)에 압력을 가할 수 있고, 타겟 영역(110)은 제1공간(S1) 내로 연신될 수 있다.
백 바디(24)는 플렉시블 백(23)과 연결될 수 있다. 백 바디(24)는 플렉시블 백(23)의 내부 공간을 밀폐시킬 수 있다. 즉, 플렉시블 백(23)의 내부 공간은 플렉시블 백(23) 및 백 바디(24)에 의해 정의될 수 있다.
또한, 백 바디(24)는 스트리퍼(20)의 제2공간(S2)을 밀폐할 수 있다. 좀 더 상세히, 본 실시예에 따른 스트리퍼(20)의 제2공간(S2)은 상측에 대해 개방될 수 있다. 그리고, 백 바디(24)는 플렉시블 백(23)이 제2공간(S2) 내로 삽입된 상태에서 제2공간(S2)을 상측에서 커버할 수 있다. 즉, 백 바디(24)는 앞서 일 실시예에서 설명한 커버부(21)(도 2 참조)의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 백 바디(24)에는, 가압부(30)와 플렉시블 백(23)의 내부 공간을 연통시키는 통로(24a)가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 가압부(30)는, 상기 통로(24a)를 통해 유체를 출입시켜 플렉시블 백(23)의 내압을 제어할 수 있다. 상기 유체는 액체와 기체를 포괄하는 용어이다. 즉, 가압부(30)는 타겟 영역(110)에 공압 또는 유압을 가할 수 있다. 예를 들어, 가압부(30)는 공압 펌프 또는 유압 펌프를 포함할 수 있다
따라서, 플렉시블 백(23)의 내압이 제1공간(S1)의 내압(예를 들어, 대기압)보다 높아지면, 타겟 영역(110)은 제1공간(S1)과 플렉시블 백(23)의 내부 공간 사이의 압력차에 의해 제1공간(S1) 내로 연신될 수 있다.
즉, 타겟 영역(110)에는 등방압(Isostatic Press)이 작용하므로 타겟 영역(110)이 연신되는 과정에서 타겟 영역(110)의 두께(t)는 전체적으로 균일하게 감소할 수 있다. 이로써, 타겟 영역(110) 상 국소 영역에 응력이 집중되는 것을 최소화할 수 있다.
특히, 가압부(30)가 액체를 사용하여 파우치 필름(F)에 유압을 가하는 경우, 상기 액체가 플렉시블 백(23)에 의해 스트리퍼(20) 및 파우치 필름(F)에 닿지 않을 수 있다. 이로써, 성형 장치가 상기 액체에 의해 고장나거나 오작동을 일으킬 우려를 해소할 수 있다.
당업자는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 성형 장치에 의해서도 앞서 설명한일 실시예에 따른 성형 방법이 실시될 수 있고, 전지 케이스(100)의 컵부(110)가 성형될 수 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 성형 장치의 개략도이다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 성형 장치는, 제1펀치(40) 및 제2펀치(50)를 포함하지 않고, 파우치 필름(F)의 양측에서 공압 또는 유압을 사용하여 컵부(110)를 성형할 수 있다.
이하, 가압부(30)는 앞서 설명한 다른 실시예와 같이 파우치 필름(F)에 유압을 가하는 경우를 예로 들어 설명한다. 그리고, 설명의 편의를 위해 플렉시블 백(23)을 '제1플렉시블 백'으로, 백 바디(24)를 '제1백 바디'로 명명한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 가압부(30)가 앞서 설명한 일 실시예와 같이 파우치 필름(F)에 공압을 가하는 것도 가능함은 물론이다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 성형 장치는, 로어 바디(60)와, 제2플렉시블 백(63)과, 제2백 바디(34)와, 서브 가압부(70)를 더 포함할 수 있다.
로어 바디(60)는 다이(10)의 하측에 배치될 수 있다. 로어 바디(60)에는 다이(10)의 제1공간(S1)과 연통되는 제3공간(S3)이 형성될 수 있다. 로어 바디(60)는 다이(10)와 별도로 제조될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 로어 바디(60)와 다이(10)가 일체로 형성될 수도 있다.
제2플렉시블 백(63)은 제3공간(S3)에 배치되고, 제1공간(S1)으로 팽창하여 파우치 필름(F)에 접촉할 수 있다.
제2백 바디(64)는 제2플렉시블 백(63)과 연결될 수 있다. 제2백 바디(64)는 제2플렉시블 백(63)의 내부 공간을 밀폐시킬 수 있다. 즉, 제2플렉시블 백(63)의 내부 공간은 제2플렉시블 백(63) 및 제2백 바디(64)에 의해 정의될 수 있다.
또한, 제2백 바디(64)는 로어 바디(60)의 제3공간(S3)을 밀폐할 수 있다. 좀 더 상세히, 제3공간(S3)은 하측에 대해 개방될 수 있고, 제2백 바디(64)는 제2플렉시블 백(63)이 제3공간(S3) 내로 삽입된 상태에서 제3공간(S3)을 하측에서 커버할 수 있다. 또한, 제2백 바디(64)에는, 서브 가압부(70)와 제2플렉시블 백(63)의 내부 공간을 연통시키는 통로(64a)가 형성될 수 있다.
서브 가압부(70)는, 상기 통로(64a)를 통해 유체를 출입시켜 제2플렉시블 백(63)의 내압을 제어할 수 있다. 상기 유체는 액체와 기체를 포괄하는 용어이다. 즉, 서브 가압부(70)는 타겟 영역(110)에 공압 또는 유압을 가할 수 있다. 예를 들어, 서브 가압부(70)는 공압 펌프 또는 유압 펌프를 포함할 수 있다
한편, 파우치 필름(F)과 제1백 바디(24) 사이의 거리(d1)는, 파우치 필름(F)과 제2 백 바디(64) 사이의 거리(d2)보다 짧을 수 있다. 따라서, 제1플렉시블 백(23)은 타겟 영역(100)을 전체적으로 균일하게 가압하는 반면, 제2플렉시블 백(63)은 팽창 정도에 따라 타겟 영역(100)의 일부만을 가압할 수도 있고, 타겟 영역(100)을 전체적으로 가압할 수도 있다. 이에 대해서는 이후 자세히 설명한다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 성형 장치에 의해 실시되는 성형 방법의 순서도이고, 도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 성형 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 성형 방법은, 파우치 필름(F)이 다이(10)와 스트리퍼(20)의 사이로 삽입되는 준비 단계(S10)와, 스트리퍼(20)가 파우치 필름(F)을 고정하는 고정 단계(S20)와, 파우치 필름(F)에 공압 또는 유압을 가하는 가압 단계(S30')를 포함할 수 있다.
준비 단계(S10) 및 고정 단계(S20)는 앞서 설명한 내용을 원용한다.
가압 단계(S30') 시, 가압부(30)는 제1플렉시블 백(23)의 내압을 조절하고 서브 가압부(70)는 제2플렉시블 백(63)의 내압을 조절하여 파우치 필름(F)에 공압 또는 유압을 가할 수 있다. 따라서, 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)에는 등방압이 작용할 수 있고, 타겟 영역(110)은 제1공간(S1) 내로 연신되어 컵부(110)로 성형될 수 있다.
좀 더 상세히, 가압 단계(S30')는 예비 성형 과정(S31')과, 1차 성형 과정(S32')과, 2차 성형 과정(S33')을 포함할 수 있다.
도 13a를 참조하면, 예비 성형 과정(S31') 시 제1플렉시블 백(23)이 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)을 가압할 수 있다. 이 때, 타겟 영역(110)에 가해지는 압력은, 타겟 영역(110)의 잔존 두께가 과도하게 얇아지지 않도록 적절하게 조절될 수 있다.
좀 더 상세히, 제1플렉시블 백(23)은 가압부(30)에 의해 팽창하며 타겟 영역(110)에 등방압을 작용할 수 있다. 따라서, 타겟 영역(110)이 제1공간(S1)으로 균일하게 연신되며 소정의 곡면을 이룰 수 있다. 타겟 영역(110)이 이루는 곡면은 중앙부가 가장 낮고, 제1공간(S1)의 내둘레에 가까울수록 더 높아지게 형성될 수 있다.
도 13b를 참조하면, 1차 성형 과정(S32') 시, 제2플렉시블 백(63)이 제1공간(S1) 내로 팽창하여 파우치 필름(F), 좀 더 상세히는 타겟 영역(110)을 가압할 수 있다. 이 때, 제1플렉시블 백(23)은 타겟 영역(110)에 가하던 압력을 계속하여 유지시킬 수 있다.
파우치 필름(F)에 대해 제2백 바디(64)는 제1백 바디(63)보다 멀게 위치하므로, 제2플렉시블 백(63)은 1차 성형 과정(S32') 시 타겟 영역(110)의 중앙 일부에 접촉할 수 있다. 이 때, 제2플렉시블 백(63)의 내압은 제1플렉시블 백(23)의 내압보다 높을 수 있다.
따라서, 타겟 영역(110)의 일부는 제1플렉시블 백(23)과 제2플렉시블 백(63)의 사이에서 압착되며 상측으로 볼록하게 형성될 수 있고, 타겟 영역(110)의 다른 일부는 제2플렉시블 백(63)과 이격되고 제1공간(S1)의 내둘레에 접하거나 인접할 수 있다. 이하, 타겟 영역(110)의 상기 일부를 제1영역(111)으로 명명하고, 타겟 영역(110)의 상기 다른 일부를 제2영역(112)으로 명명한다.
1차 성형 과정(S32')에서 제1영역과 제2영역(112)이 미리 구분되어 형성되므로, 이후의 2차 성형 과정(S33')에서 제2영역(112)이 용이하게 연신될 수 있다. 따라서, 컵부(110)의 둘레면(112)에 좌굴(buckling)에 의한 주름(wrinkle)이 발생하지 않고, 컵부(110)를 깊게 성형 가능한 이점이 있다.
또한, 제1영역(111)과 제2영역(112)이 만나는 부분이 예각을 이루게 되므로, 이후의 2차 성형 과정(S33')에서 제2영역(112)이 제1공간(S1)의 내둘레에 용이하게 밀착될 수 있다. 이로써 컵부(110)의 둘레면(112)이 바닥면(111)에 대해 수직하게 형성될 수 있고, 컵부(110)의 엣지 및 코너의 곡률 반경이 최소화될 수 있으며, 컵부(110)의 코너에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
도 13c를 참조하면, 2차 성형 과정(S33') 시, 제1플렉시블 백(23)과 제2플렉시블 백(63)의 내압이 서로 동일하게 조절될 수 있다. 또한, 제1플렉시블 백(23) 및 제2플렉시블 백(63)의 내압은, 1차 성형 과정(S32') 당시의 제2플렉시블 백(63)의 내압보다 높을 수 있다.
따라서, 제1영역(111)은 제1플렉시블 백(23)과 제2플렉시블 백(63)의 사이에서 평평하게 압착될 수 있고, 제2영역(112)는 제1공간(S1)의 내둘레에 밀착될 수 있다. 이로써, 컵부(110)의 성형이 완료될 수 있다.
본 실시예의 경우, 별도의 펀치가 불필요하며, 다이(10) 및 스트리퍼(20)를 승강 및 이동시키지 않고도 컵부(110)를 성형 가능한 이점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (24)

  1. 파우치 필름에 컵부를 성형하는 성형 장치에 있어서,
    상면에 상기 파우치 필름이 안착되며, 상기 상면에서 함몰된 제1공간이 형성된 다이;
    상기 다이의 상측에서 상기 파우치 필름을 고정시키며, 상기 제1공간과 대응되는 위치에 제2공간이 형성된 스트리퍼; 및
    상기 파우치 필름의 일부가 상기 제1공간 내로 연신되도록, 상기 제2공간을 통해 상기 파우치 필름에 공압 또는 유압을 가하는 가압부를 포함하는 성형 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트리퍼에는, 상기 제2공간을 상측에서 밀폐하는 커버부가 구비되고,
    상기 스트리퍼 또는 커버부에는 상기 가압부와 상기 제2공간을 연통시키는 통로가 형성되며,
    상기 가압부는, 상기 통로를 통해 기체를 출입시켜 상기 제2공간의 내압을 제어하는 성형 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2공간에 배치되며 상기 파우치 필름에 접촉하는 플렉시블 백; 및
    상기 제2공간을 밀폐하고 상기 플렉시블 백이 연결되며, 상기 가압부와 상기 플렉시블 백을 연통시키는 통로가 형성된 백 바디를 더 포함하고,
    상기 가압부는, 상기 통로를 통해 유체를 출입시켜 상기 플렉시블 백의 내압을 제어하는 성형 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1공간으로 삽입되며, 상기 파우치 필름을 향해 볼록하게 형성된 곡면을 갖는 제1펀치를 더 포함하는 성형 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 곡면은,
    중앙부가 가장 높고, 상기 제1공간의 내둘레에 가까워질수록 높이가 낮아지게 형성된 성형 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1펀치가 상기 제1공간으로 삽입된 상태에서, 상기 곡면의 중앙부는 상기 다이의 상면보다 낮은 높이에 위치한 성형 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1공간은 제1방향에 대해 제1폭을 가지고, 상기 제1방향과 직교하는 제2방향에 대해 제2폭을 가지며,
    상기 곡면은, 하기 수학식에 의해 정의되는 타원체(ellipsoid)의 일부인 성형 장치:
    Figure PCTKR2022012642-appb-img-000004
    (x는 상기 제1방향에 대한 좌표이고, y는 상기 제2방향에 대한 좌표이고, z는 수직 방향에 대한 좌표이고, a는 상기 제1폭의 절반이고, b는 상기 제2폭의 절반이고, c는 a와 b의 평균값에 0.2 내지 0.6인 보정 상수를 곱한 값)
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1공간으로 삽입되며, 상기 파우치 필름을 향하는 평면을 갖는 제2펀치를 더 포함하는 성형 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가압부는,
    상기 제1공간에 상기 제1펀치가 삽입된 상태일때보다 상기 제2펀치가 삽입된 상태일 때 더 높은 압력을 가하는 성형 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2펀치가 상기 제1공간으로 삽입된 상태일 때 상기 평면과 상기 다이의 상면 사이의 높이차는, 상기 제1펀치가 상기 제1공간으로 삽입된 상태일 때 상기 곡면과 상기 다이의 상면 사이의 높이차보다 큰 성형 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이의 하측에 위치하고, 상기 제1공간과 연통되는 제3공간이 형성된 로어 바디;
    상기 제3공간에 배치되고, 상기 제1공간으로 팽창하여 상기 파우치 필름에 접촉하는 플렉시블 백;
    상기 제3공간을 밀폐하고 상기 플렉시블 백이 연결된 백 바디; 및
    상기 백 바디에 형성된 통로를 통해 유체를 출입시켜 상기 플렉시블 백의 내압을 제어하는 서브 가압부를 더 포함하는 성형 장치.
  12. 파우치 필름에 컵부를 성형하는 성형 방법에 있어서,
    상기 파우치 필름이 다이와 스트리퍼의 사이로 삽입되는 준비 단계;
    상기 스트리퍼가 상기 파우치 필름을 고정하는 고정 단계; 및
    상기 파우치 필름의 일부가 상기 다이에 형성된 제1공간으로 연신되도록, 가압부가 상기 스트리퍼에 형성된 제2공간을 통해 상기 파우치 필름에 공압 또는 유압을 가하는 가압 단계를 포함하는 성형 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가압 단계는,
    상면이 곡면인 제1펀치가 상기 다이의 상기 제1공간으로 삽입되고, 상기 파우치 필름의 일부가 상기 곡면에 밀착되되, 상기 곡면은 상측을 향해 볼록하게 형성된 1차 성형 과정; 및
    상면이 평면인 제2펀치가 상기 제1공간으로 삽입되고, 상기 파우치 필름의 일부가 상기 평면에 밀착되는 2차 성형 과정을 포함하는 성형 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 2차 성형 과정 시 상기 파우치 필름에 작용하는 압력은, 상기 1차 성형 과정 시 상기 파우치 필름에 작용하는 압력보다 높은 성형 방법.
  15. 파우치 필름에 컵부를 성형하는 성형 방법에 있어서,
    상기 파우치 필름이 다이와 스트리퍼의 사이로 삽입되는 준비 단계;
    상기 스트리퍼가 상기 파우치 필름을 고정하는 고정 단계; 및
    상기 파우치 필름의 일부가 상기 다이에 형성된 제1공간으로 연신되어 상기 컵부로 성형되도록 상기 파우치 필름에 공압 또는 유압을 가하는 가압 단계를 포함하고,
    상기 가압 단계는,
    상기 스트리퍼에 형성된 제2공간 내에 배치된 제1플렉시블 백이 상기 파우치 필름을 상기 제1공간으로 연신시키는 예비 성형 과정;
    제2플렉시블 백이 상기 제1공간 내로 팽창하고 상기 파우치 필름의 일부를 가압하여, 상기 파우치 필름의 일부가 상측으로 볼록하게 형성되는 1차 성형 과정; 및
    상기 제1플렉시블 백과 상기 제2플렉시블 백의 내압이 동일하게 조절되어, 상기 파우치 필름의 일부가 평평하게 형성되는 2차 성형 과정을 포함하는 성형 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 1차 성형 과정 시, 상기 제2플렉시블 백의 내압은 상기 제1플렉시블 백의 내압보다 높은 성형 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 2차 성형 과정 시 상기 제1플렉시블 백 및 제2플렉시블 백의 내압은,
    상기 1차 성형 과정 시 상기 제2플렉시블 백의 내압보다 높은 성형 방법.
  18. 만입된 형상을 갖는 컵부; 및
    상기 컵부의 둘레의 적어도 일부에 위치한 테라스를 포함하고,
    상기 컵부는,
    바닥면;
    상기 바닥면과 상기 테라스를 연결하는 복수개의 둘레면; 및
    상기 복수개의 둘레면 중 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면과 상기 바닥면이 만나는 코너를 포함하며,
    상기 코너의 두께는 상기 바닥면의 두께의 0.75배 내지 0.85배인 파우치형 전지 케이스.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 바닥면 또는 테라스에 대해, 상기 둘레면이 이루는 각도는 90도 내지 95도인 파우치형 전지 케이스.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 코너의 곡률 반경은 0.75 mm 내지 1.25 mm 인 파우치형 전지 케이스.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 컵부는,
    상기 둘레면과 상기 테라스가 만나며 라운드지게 형성된 제1엣지; 및
    상기 바닥면과 상기 둘레면이 만나며 라운드지게 형성된 제2엣지를 더 포함하고,
    상기 제1엣지와 상기 제2엣지 사이의 클리어런스는 0.1 mm 이하인 파우치형 전지 케이스.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1엣지 및 제2엣지의 곡률 반경은, 0.1 mm 이상 0.5 mm 미만인 파우치형 전지 케이스.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 컵부는,
    상기 바닥면과 상기 둘레면이 만나며 라운드지게 형성된 제1엣지; 및
    상기 둘레면과 상기 테라스가 만나며 라운드지게 형성된 제2엣지를 더 포함하고,
    상기 제1엣지와 상기 제2엣지 사이의 클리어런스는, 상기 제1엣지 및 제2엣지의 곡률 반경 이하인 파우치형 전지 케이스.
  24. 전극 조립체; 및
    만입된 형상을 가지며 상기 전극 조립체가 수용된 컵부와, 상기 컵부의 둘레의 적어도 일부에 위치한 테라스를 갖는 파우치형 전지 케이스를 포함하고,
    상기 컵부는,
    바닥면;
    상기 바닥면과 상기 테라스를 연결하는 복수개의 둘레면; 및
    상기 복수개의 둘레면 중 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면과 상기 바닥면이 만나는 코너를 포함하며,
    상기 코너의 두께는 상기 바닥면의 중앙부의 두께의 0.75배 내지 0.85배인 이차 전지.
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