KR101602466B1 - 파우치형 이차 전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 파우치형 이차 전지 - Google Patents

파우치형 이차 전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 파우치형 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파우치형 이차 전지의 제조 방법에 있어서, 전지셀에 롤 프레스로 압력을 인가하여 활성화 과정에서 상기 전지셀 내부에 발생한 가스를 제거하는 단계를 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조 방법에 따르면 이차 전지의 활성화 과정 중 발생한 가스를 빠른 시간 내에 효율적으로 제거하고, 상기 가스를 전지셀의 특정 방향으로 포집할 수 있어 상기 가스 제거가 용이한 효과가 있다.

Description

파우치형 이차 전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 파우치형 이차 전지 {POUCH TYPE SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 파우치형 이차 전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
최근 전자기기의 소형화 및 경량화 추세에 따라, 전원으로 작용하는 전지도 소형화 및 경량화가 요구되고 있다. 소형 경량화 및 고용량으로 충방전 가능한 전지로서 이차 전지가 실용화되고 있으며, 소형 비디오 카메라, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자 및 통신기기 등에 이용되고 있다.
이차 전지는 전극조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다.
이 중, 파우치형은 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있다.
종래의 파우치 외장재는 일반적으로 전극 조립체가 수용되는 상부 외장재와, 상기 하부 외장재의 상부를 밀봉하는 상부 외장재로 이루어진다. 이때, 전극 조립체가 수용되는 공간부는 상·하부 모두에 형성될 수도 있다. 한편, 상기 파우치 외장재에 포함되는 전극 조립체는 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 적어도 하나의 분리막을 포함하는 것으로, 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. 즉, 당해 기술 분야에 알려져 있는 다양한 형태의 전극 조립체들, 예를 들면, 젤리-롤형(권취형)전극 조립체, 스택형(적층형) 전극 조립체 및/또는 스택 앤 폴딩형(복합형) 전극 조립체들이 제한없이 사용될 수 있다.
통상 젤리-롤형 전극 조립체는 전류 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질을 코팅하고, 프레싱한 후, 원하는 폭과 길이를 갖는 밴드 형태로 재단한 다음, 분리 필름을 이용해 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아서 제조되는 전극 조립체를 말하며, 스택형 전극 조립체는 음극, 분리막, 양극을 수직으로 적층하는 방식으로 제조되는 전극 조립체를 말한다. 한편, 스택 앤 폴딩형 전극 조립체는 단일 전극 또는 음극/분리막/양극으로 이루어진 전극 적층체들을 길이가 긴 시트형 분리 필름으로 말거나 접어서 제조되는 전극 조립체를 말한다.
상기 전극 조립체를 하부 외장재의 공간부에 수용한 다음, 상기 하부 외장재 공간부 주위의 가장자리부와 이에 대응되는 상부 외장재의 가장자리를 밀착시키고 밀착된 일부분을 열융착 한후 전해액을 넣고 나머지 부분을 진공 실링하면 파우치형 이차전지가 형성된다.
한편, 이차 전지에 있어서는 그 특성상 첫 사이클시 양극활물질의 활성화 및 음극에서의 안정적인 표면막(SEI, Solid Electrolyte Interface) 생성을 위한 활성화 과정이 필수적으로 선행되어야 하는데, 이러한 활성화 과정에 의하여 전지셀 내부에 다량의 가스가 발생하게 된다. 이후 발생된 가스는 개봉되거나 절개된 배출구를 통하여 제거되며, 가스 배출부위는 다시 열융착되어 실링된다. 상기와 같이 전지셀 내부의 가스를 배출시키고, 그 배출통로를 열융착시키는 공정을 흔히 디개싱(degassing) 공정이라 한다.
파우치형 이차전지의 경우, 상기와 같이 활성화 과정에서 전지셀 내부에 발생한 가스가 효율적으로 제거되지 아니하면 가스가 전지셀 내부에서 일정 공간을 차지함으로써 전지 케이스의 중앙 부위가 부풀어 오르면서 전지의 변형을 유발하고 용량 및 출력 등의 전지 성능 및 전지 수명에 악영향을 미치게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전극조립체와 전지케이스의 실링부 사이에 소정의 미실링부를 형성하는 방법에 대한 일부 기술들이 소개되고 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2005-332726호와 제2005-222872호에는, 적층형 전극조립체가 라미네이트 시트의 수납부에 내장되는 이차전지에서, 전극조립체가 장착되는 라미네이트 시트의 수납부와 라미네이트 시트의 실링부 사이에 미실링부를 두고 일측 방향으로 융착된 실링부가 벌어지면서 가스를 배출시키는 구조에 대한 기술이 개시되어 있고, 대한민국 특허등록 제10-0876455에는 전극조립체가 라미네이트 시트의 수납부에 내장되어 있는 이차전지에서 전지케이스의 실링부와 전극조립체를 장착하는 수납부 사이에 발생한 가스를 포집할 수 있는 미실링 상태의 잉여부인 가스 포켓(gas pocket)을 포함하도록 제조하여 전지케이스 내부에서 발생한 가스를 제거하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 방법은 가스 포켓과 전지셀 내부의 압력차에 기인한 자연적인 이동에 의해 전지셀 내부의 가스 배출을 시도하는 것으로서, 이와 같은 방법으로는 전지셀 내부에 일정 공간을 차지하고 있는 가스를 효과적으로 제거하는데 한계가 있다.
또한 일본 특허출원공개 제2001-35523에는 양극，음극，전해질 및 분리막를 포함하고 필름으로 외장한 필름 외장 전지의 제조 방법에 있어 대향한 2장의 평판 사이에 전지를 끼우고 양측에서 압력을 가하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기와 같은 방법은 전지셀의 상·하부 면에 균일하게 압력을 가함으로 인하여 가스가 포집되는 방향이 일정하지 않다. 만일 가스를 폴딩 분리막에 의하여 전극 조립체가 감싸지지 않은 방향으로 포집할 수 있다면 보다 효율적으로 가스를 제거할 수 있으므로 전지셀의 특정 부분으로 가스를 포집하여 제거하는 것이 필요하다. 또한 대면적의 셀에서는 셀 전체에 균일한 압력을 가하기 위하여 평판의 정확한 수평 관리가 필요하므로 생산성 저하나 제품간 편차등의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 전지셀 내부에서 발생하는 가스를 빠른 시간내에 효과적으로 제거하지 못하는 문제점과 전지셀 내부에서 발생한 가스를 전지셀의 특정 부분으로 유도하지 못하는 문제점을 동시에 해결하고자 한다.
이를 위해, 일 구현예에 따르면, 본 발명은,
(a) 내부에 전극 조립체 및 전해액이 수용된 전지셀을 마련하는 단계;
(b) 적어도 1회 이상의 충전 및 방전을 실시하여 상기 전지셀을 활성화하는 단계;
(c) 상기 전지셀에 롤 프레스를 이용하여 압력을 인가함으로써 상기 전지셀 내부에 발생한 가스를 일 방향으로 유도하는 단계; 및
(d) 상기 일 방향으로 유도된 가스를 배출시키는 단계
를 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 전극조립체의 전극단자 들은 상기 전지셀의 상단에 동일 방향으로 평행하게 노출되어 있을 수 있다.
상기 전지셀은 유도된 가스를 수용하기 위한 가스 포켓(gas pocket)부를 추가로 구비한 것일 수 있다.
상기 전지셀은 1.5V 내지 5V의 전압조건에서 0.05C 내지 1C의 전류로 충전한 후 다시 만방전하는 과정을 반복하여 상기 전지셀을 활성화시키는 것일 수 있다.
상기 전지셀에 압력을 인가하는 것은 상기 활성화 과정과 동시에 또는 상기 활성화 과정 이후에 수행되는 것일 수 있다.
상기 전지셀에 압력을 인가하는 것은 전지셀의 하단부를 개방한 후 상기 활성화 과정의 전부 또는 일부 과정에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 전지셀에 압력을 인가하는 것은 감압상태의 진공챔버에서 수행하는 것일 수 있다.
상기 전지셀에 롤 프레스로 압력을 인가하여 가스를 유도하는 일 방향은 상기 전지셀의 전극단자가 노출된 상단에서 하단 방향일 수 있다.
상기 전지셀은 전지 케이스에 전극 조립체를 수납한 후 실링한 후에 상기 전지셀에 가스 포켓(gas pocket)을 형성한 것일 수 있다.
상기 가스 포켓(gas pocket)의 일부분을 절단하고 상기 활성화 과정의 전부 또는 일부 동안 상기 롤 프레스로 압력을 인가함으로써 상기 가스를 제거할 수 있다.
상기 가스의 제거는 감압 상태의 진공 챔버에서 수행할 수 있다.
본 발명은 상기의 제조 방법으로 제조된 파우치형 이차 전지를 제공한다.
상기의 제조 방법으로 만들어진 파우치형 이차 전지는 상기 파우치형 이차전지의 전지셀 내부의 가스 부피가 외장재를 제외한 전지셀 내부 전체 부피의 0.5% 내지 5%일 수 있다.
본 발명의 제조 방법에 따르면 이차 전지의 활성화 과정 중 발생한 가스를 빠른 시간 내에 효율적으로 제거하고, 상기 가스를 전지셀의 특정 방향으로 포집할 수 있어 상기 가스 제거가 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 가스 포켓부가 형성된 전지셀의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제조 방법의 일 구현예를 설명하기 위한 것으로 전지셀 상에 롤 프레스를 가하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 배출부가 구비된 가스 포켓부가 형성된 전지셀의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 제조 방법으로 제조된 전지셀의 전지용량을 수명 평가 싸이클이 진행됨에 따라 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 발명자들은 전지셀 내부의 압력차에 기인한 자연적인 이동에 의해 전지셀 내부의 가스 배출을 시도하는 종래 방법으로는 전지셀 내부에 일정 공간을 차지하고 있는 가스를 효과적으로 제거하는데 한계가 있고, 대향한 2장의 평판 사이에 전지를 끼우고 양측에서 압력을 가하는 방법은 전지셀의 상·하부 면에 균일하게 압력을 가함으로 인하여 가스가 포집되는 방향이 일정하지 않아 전지셀의 특정 부분으로 가스를 포집하여 제거하는 것이 곤란한 문제점이 있음을 인식하고, 전지셀에 롤 프레스로 압력을 인가하여 가스 포집 방향을 제어함으로써, 활성화 공정에서 발생한 가스를 효율적으로 제거할 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 파우치형 이차 전지의 제조 방법은, (a) 내부에 전극 조립체 및 전해액이 수용된 전지셀을 마련하는 단계; (b) 상기 전지셀을 충전하거나 적어도 1회 이상의 충전 및 방전을 실시하여 상기 전지셀을 활성화하는 단계; (c) 상기 전지셀에 롤 프레스를 이용하여 압력을 인가함으로써 상기 전지셀 내부에 발생한 가스를 일 방향으로 유도하는 단계; 및 (d) 상기 일 방향으로 유도된 가스를 배출시키는 단계를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 각 단계를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 상기 (a) 내부에 전극 조립체 및 전해액이 수용된 전지셀을 마련하는 단계는, 당해 기술 분야에 잘 알려진 전지셀의 제조 방법을 통해 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 파우치 외장재 내에 전극 조립체를 수납하고, 전해액을 주입한 후 이를 실링하는 등의 방법을 통해 이루어질 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 전극 조립체는, 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 음극 및 적어도 하나의 분리막을 포함하는 전극 적층체를 모두 포함하는 개념이며, 그 형태 등이 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 상기 전극 조립체에 포함되는 양극, 음극 및 분리막의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 양극, 음극 및 분리막들을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 음극은 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 음극 전류 집전체에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금 등과 같은 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다. 또한, 상기 양극은, 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 양극 전류 집전체에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다. 또한, 상기 전극 활물질들은 전류 집전체의 양면에 코팅될 수도 있고, 무지부 등의 형성을 위해 전류 집전체의 일면에만 전극 활물질을 코팅할 수도 있다. 또한, 상기 양극 및 음극의 두께는 특별히 제한되지 않는다. 즉, 이들 두께는 출력 또는 에너지 중시, 혹은 이온 전도성 중시 등의 사용 목적을 고려하여 설정될 수 있다.
한편, 상기 분리막은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
한편, 상기 전극 조립체로는, 당해 기술 분야에서 사용되는 다양한 형태의 전극 조립체들, 예를 들면 젤리-롤형, 스택형 또는 스택 앤 폴딩형 전극 조립체들이 제한 없이 사용될 수 있다. 이때, 상기 젤리-롤형 전극 조립체는 전류 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질을 코팅하고, 프레싱한 후, 원하는 폭과 길이를 갖는 밴드 형태로 재단한 다음, 분리 필름을 이용해 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아서 제조되는 전극 조립체를 말하며, 스택형 전극 조립체는 음극, 분리막, 양극을 수직으로 적층하는 방식으로 제조되는 전극 조립체를 말한다. 한편, 스택 앤 폴딩형 전극 조립체는 단일 전극 또는 음극/분리막/양극으로 이루어진 전극 적층체들을 길이가 긴 시트형 분리 필름으로 말거나 접어서 제조되는 전극 조립체를 말한다.
이 중 스택 앤 폴딩형 전극 조립체의 경우, 단일 전극 또는 음극/분리막/양극으로 이루어진 전극 적층체들이 시트형 분리 필름에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 시트형 분리 필름에 의해 전극 또는 전극 적층체들의 팽창이 억제되어 상대적으로 안정성이 우수하다는 장점이 있다. 다만, 상기 시트형 분리 필름의 존재로 인해 전지셀 내부에서 발생된 가스가 외부로 배출되기 어렵다는 문제점이 있었으나, 전지셀 내부에서 발생한 가스를 일방향으로 유도하는 것을 특징으로 하는 본 발명을 제조 방법을 사용할 경우, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다. 따라서, 본 발명은 가스 배출이 용이하지 않은 스택 앤 폴딩형 전극 조립체로 구성된 전지셀에서 보다 효율적인 결과를 가져올 수 있다.
한편, 상기 파우치 외장재로는, 당해 기술 분야에 잘 알려진 다양한 종류의 외장재가 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 라미네이트 시트는 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 밀봉을 위한 내측 수지층으로 이루어질 수 있다. 이러한 라미네이트 시트의 예로는, 알루미늄 라미네이트 시트를 들 수 있으며, 상기 알루미늄 라미네이트 시트는 나일론-알루미늄-폴리프로필렌층 등으로 구성된 약 100㎛ 두께의 필름으로, 160 ~ 210℃의 열과 1 ~ 3 kgf/㎠ 범위의 압력에 의해 열융착됨으로써 실링될 수 있다.
한편, 상기 전해액으로는, 당해 기술 분야에서 사용되는 다양한 전해액들이 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, PC(프로필렌카보네이트) 및 EC(에틸렌카보네이트)로 이루어지는 유기 용매와, 지지 염으로서의 리튬 염(LiPF6)을 포함한다. 유기 용매는 PC 및 EC로 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 그밖의 고리형 카보네이트류, 디메틸카보네이트 등의 쇄사슬 형상 카보네이트류, 테트라히드로푸란 등의 에테르류를 포함할 수 있다. 리튬 염도 LiPF6로 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 그 밖의 무기산 음이온 염 및 LiCF3SO3 등의 유기산 음이온 염을 포함할 수 있다.
한편, 상기 전지셀은, 필요에 따라, 유도된 가스를 수용하기 위한 가스 포켓(gas pocket)부를 추가로 구비할 수 있다. 도 1에는 본 발명에 따른 가스 포켓부(50)를 구비한 본 발명의 전지셀의 일 구현예가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 포켓부(50)를 구비할 경우, 상기 가스 포켓부(50)는 전극 단자(60)가 형성되지 않은 쪽에 형성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 전극 단자(60)가 형성된 면과 마주보는 면의 방향, 예를 들면, 전지셀의 하단부에 형성되는 것이 바람직하다. 가스 포켓부(50)가 전극 단자가 형성된 면에 형성될 경우, 롤 프레스의 이동 방향이 전극 단자를 향하게 되기 때문에, 공정을 수행하면서 전극 단자를 손상시킬 위험성이 있기 때문이다. 또한, 가스 포켓부(50)가 전지셀의 하단부에 형성되면, 스택 앤 폴딩형 전극 조립체를 사용할 경우에 시트형 분리 필름 내에 존재하는 가스를 배출하는데 보다 더 용이하다는 장점이 있다. 스택 앤 폴딩형 전극 조립체의 경우, 측면부는 시트형 분리 필름으로 감싸져 있고, 하단부에는 시트형 분리 필름이 존재하지 않는 것이 일반적이다. 따라서, 가스 포켓부를 전지셀의 하단부에 구비하는 것이 스택 앤 폴딩형 전극 조립체 내부의 가스를 배출하는데 보다 용이하다.
다만, 도 1은 본 발명의 일례에 불과한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 전지셀은 별도의 가스 포켓부(50)를 구비하지 않고, 전극 조립체가 수용된 전지 케이스 내부의 잉여 공간에 가스를 포집할 수도 있다.
다음으로, 상기 (b) 단계는 전지셀을 활성화시키기 위한 것으로, 전지셀을 충전하거나 적어도 1회 이상의 충전 및 방전을 실시하여 수행하는 것을 말하나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 (b) 단계는, 0.2C의 전류로 전지셀의 일부만을 충전하거나 혹은 만충전한 후 에이징(aging)을 하면서 개로전압(OCV, open circuit voltage) 불량을 검출하고, 이 후 다시 만방전하여 방전용량을 측정한 다음, 출하를 위해 용량의 50%로 충전하는 방식 등과 같은 공지된 다양한 형태의 포메이션 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 활성화 과정은 0.05C ~ 1C 정도의 전류 및 1.5V-5.0V 정도의 전압 조건에서 진행될 수 있다.
다음으로, 상기 (c)단계는 상기 활성화 과정 중에 전지셀 내부에서 발생한 가스를 전지셀의 일 방향으로 유도하기 위하여 전지셀에 롤 프레스로 압력을 인가하기 위한 것이다. 도 2 및 도 3에는 상기 (c)단계의 일 구현예가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 (c)단계는, 상기 롤 프레스를 전지셀의 상부에 두고 가스를 유도하고자 하는 방향으로 이동시키면서 가압하는 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 전지셀의 하단에 가스 포켓부(50)가 장착된 전지셀의 경우, 전지셀의 상단(10)으로부터 전지셀의 하단(20) 방향으로 롤(70) 프레스를 이동시키면서 압력을 인가하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기와 같은 과정을 거쳐 전지셀 내부에서 발생한 가스(80)는 가스 포켓부(50)로 포집된다.
이때, 상기 전지셀의 상단(10)에는 전극 조립체를 전기적으로 연결하기 위한 전극단자(60)들이 구비될 수 있으며, 이 경우, 롤(70) 프레스는 상기 전극단자(60)들로부터 멀어지는 방향, 즉, 전극단자(60)들이 노출된 전지셀의 상단(10)으로부터 상기 전지셀의 하단(20) 방향으로 이동하면서 압력을 인가하는 것이 바람직하다. 롤 프레스(60)를 상기와 같은 방향으로 이동시킬 경우, 압력 인가 과정에서 전극 단자가 손상되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
이러한 방법에 의해 스택 앤 폴딩형의 전극조립체에서 전지 셀의 측면(30, 40)으로 가스를 포집할 경우 단일 전극 또는 단위셀들이 권취되어 여러 겹이 중첩된 분리막 시트로 인하여 가스가 외부로 용이하게 배출되기 어렵다는 문제가 해결될 수 있어 본 발명은 특별히 스택 앤 폴딩형에 특별히 유용할 수 있다. 또한 롤(70) 프레스를 전지 셀의 일 측면에서 마주 보는 측면 방향으로 압력을 인가한다면 전극단자(60)가 손상될 수 있는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명은 롤(70)을 이동시키면서 압력을 인가함으로써, 기존의 자연적인 가스의 이동이 아닌 가압에 의한 인위적인 가스의 이동을 유발하여 전지셀 내부의 가스가 빠짐없이 효율적으로 배출되도록 하며, 이에 따라 전지의 성능이 개선되며 전지의 수명 또한 연장된다. 더불어 인위적 압력에 의해 지속적으로 가스가 배출되므로 전지셀 내부가 감압상태로 유지되어 과도한 압력에 의해 전지셀의 중앙부분이 부풀어 오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상도 억제된다. 또한 롤 프레스를 이용할 경우, 가압 방향을 조절하기 쉽기 때문에, 가압 과정에서 전해액이 과도하게 유실되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 롤(70) 프레스에 의한 인가 압력은 30kgf/㎠가 바람직하며, 인가 압력이 3kgf/㎠미만인 경우 본 발명이 추구하는 가스의 효율적인 배출 효과를 거둘 수 없고, 인가 압력이 200kgf/㎠를 초과하는 경우 전지셀의 실링 상태나 전극-분리막-전극간 쇼트 발생에 영향을 줄 수 있으므로 바람직하지 않다. 이때, 롤(70)의 선속은 0.5 m/min 내지 10 m/min이 바람직하다.
한편, 상기 롤(70) 프레스로 압력을 인가하는 단계는, 상기 (b) 단계의 활성화 과정의 전부 또는 일부 동안 수행할 수 있다. 활성화 과정 내내 지속적으로 압력을 인가함이 공정의 수행 및 발생 가스의 확실한 배출을 고려할 때 바람직할 것이나, 전해액의 추가적인 유출이 있을 수 있는 점 및 추가적인 비용이 발생할 수 있는 점을 고려하여 활성화 과정 중 가스 발생이 심한 특정 구간 동안만 압력을 인가하도록 유동적으로 수행할 수도 있다.
또는, 상기 (c)단계는 (b) 단계의 활성화 과정이 모두 완료된 후, 수행될 수도 있다. 이 경우, 롤 프레스를 이용하여 전지셀에 압력을 인가함으로써, 활성화 과정에서 발생되어 전지셀 내에 트랩(trap)된 가스를 일 방향으로 유도할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계는 필요에 따라, 감압 상태에서 수행될 수 있다. 감압 상태에서 (c)단계를 수행할 경우, (c)단계와 후술한 (d)단계를 동시에 수행할 수 있다는 장점이 있다.
다음으로, 상기 (d)단계의 상기 일 방향으로 유도된 가스를 배출시키는 단계는, 전지셀 외부로 가스를 배출시키기 위한 것으로, 예를 들면, 전지셀의 일부를 개방하는 방법을 통해 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 가스를 배출하는 단계는, 전지셀의 일부를 개방하거나, 가스 포켓부를 구비한 전지셀의 경우에는 가스 포켓부의 일부를 개방하거나, 상기 가스 포켓부를 전지셀로부터 분리시키는 방법으로 수행될 수 있다. 이때, 상기 개방은 전지셀의 일부를 절개 또는 절단하거나, 펀칭하는 등의 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 원활한 가스의 배출을 위해 상기 가스를 배출하는 단계는 롤 프레스로 압력을 인가하면서 수행되거나, 또는 감압 상태에서 수행될 수 있다.
도 4에는 상기 가스를 제거하는 방법의 일 구현예로서, 가스 포켓부(50)의 가스가 포집된 부분(80)에 절단부(90)를 형성한 전지셀의 정면도가 도시되어 있다. 활성화 과정 중 혹은 활성화 과정 후에 가스 포켓부(50)의 가스가 포집된 부분(80)에 일부 구멍(90)을 뚫거나 가스가 포집된 부분(80)의 중심을 절단하여 가스를 제거할 수 있다. 이때 가스 제거는 바람직하게는 감압상태의 진공 챔버에서 수행하는 것이 적합하다.
한편, 상기 과정을 통해 가스가 배출된 후에는 상기 절단, 절개 또는 펀칭된 부분을 재실링하는 것이 바람직하다. 가스 포켓부(50)을 구비한 전지셀의 경우에는, 가스 배출 후에 가스 포켓부(50)가 형성된 부분을 전지셀로부터 절단하고, 절단된 부분을 다시 재실링할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 방법에 의해 제조된 파우치형 이차 전지는, 전지셀 내부에 잔존하는 가스량이 전지셀 내부 부피의 5% 이하로 유지되는데, 이는 본 발명의 제조방법을 사용하지 않고 제조된 종래 전지셀 내부의 잔존 가스량보다 10% 이상 적은 것이다. 이와 같이, 전지셀 내부의 잔존 가스량을 최소화함으로써 전지셀의 수명이 개선되고, 전극상 리튬 석출이 억제되며, 전지셀의 출력이 개선되는 등의 효과가 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 더 자세히 설명한다.
실시예
다음과 같은 방법으로 파우치형 리튬이차전지를 제조하였다.
양극의 제조
양극활물질로 NMC(Li[Ni,Mn,Co]O2) 90중량%, 도전재로 카본 블랙 5 중량%, 바인더로 PVDF(polyvinylidene fluoride) 5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 양극판인 두께 20㎛의 Al foil에 도포, 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스를 실시하였다.
음극의 제조
음극활물질로 탄소 분말 95 중량%, 도전재로 카본 블랙 2 중량%, 증점제로 카르복실 메틸 셀룰로스(CMC) 1 중량%, 바인더로 스티렌 부타디엔 러버 (SBR) 2 중량%를 용제인 증류수에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 혼합물 슬러리를 음극판인 두께 10㎛의 Cu foil에 도포, 건조하여 음극을 제조한 후, 롤(70) 프레스를 실시하였다.
전지셀의 제조
위와 같은 방법으로 제조된 양극 및 음극 사이에 PP/PE/PP 분리막을 개재하여 스택 앤 폴딩(stack and folding) 방식으로 조립함으로써 20Ah 1C 용량의 전극조립체를 제조하였다.
열융착층 위에 알루미늄 포일 금속박층을 형성한 다음, 상기 알루미늄 포일 금속박층 위에 절연층을 적층하여 파우치 외장재를 제조하였다. 상기 제조된 파우치 외장재를 절곡하여 상부 외장재 및 하부 외장재를 형성한 후, 하부 외장재에 프레스(press) 가공을 통해 전극조립체 수납부를 형성하였다.
제조된 전극조립체를 상기 수납부에 수용한 다음, 전해액(에틸렌카보네이트(EC)/프로필렌카보네이트(PC)/디에틸카보네이트(DEC) = 30/20/50 중량%, 리튬헥사플로로포스페이트 (LiPF6) 1 몰)을 주입하였다.
활성화 과정 수행
상기 제조된 전지셀의 파우치 외장재에 길이 8cm, 폭 15cm 의 가스 포켓부(50)를 상기 전지셀의 하단(20) 쪽에 형성하였다. 상기 가스 포켓부(50)가 연결된 전지셀을 상온에서 0.1C의 전류로 3.8V의 전압이 될 때까지 CC(Constant Current)충전하여 활성화시켰다.
디개싱 ( Degassing ) 과정
상기 활성화 과정을 거친 전지셀을 30 kgf/㎠의 압력으로 전극단자(60)가 노출된 상단(10)으로부터 하단(20) 방향으로 롤(70) 프레스 하였다. 이때, 롤(70)의 온도는 80℃, 선속은 1.5 m/min이었다.
롤(70) 프레스하여 가스를 상기 전지셀의 하단(20) 방향으로 포집한 후, 가스 포켓부(50)에 구멍(90)을 뚫고 -95 kPa의 압력으로 2초간 가스를 제거한 후 가스 포켓부(50)를 절단하여 제거하였다.
비교예 1
디개싱 과정 중 롤(70) 프레스를 인가하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 실험하였다.
비교예 2
디개싱 과정 중 롤(70) 프레스를 인가하는 대신, 대향하는 2장의 평판 사이에 전지셀을 넣고 4초동안 200kgf/㎠의 압력으로 80℃의 온도에서 평판 프레스를 인가하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 실험하였다.
비교예 3
가스 포켓부(50)가 전지셀의 측면(30, 40) 쪽에 형성되어 있으며, 롤 프레스를 전지셀의 일 측면으로부터 타 측면으로 인가하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 실험하였다.
실험예 1( 전지셀 내부의 가스량 분석)
진공 챔버 내부에 전지셀을 넣고 -760mmHg의 진공압력을 걸어두었다. 챔버의 압력이 -760mmHg 압력이 도달한 것을 확인한 후에, 상기 전지셀 외각에 구멍을 뚫고 이에 튜브를 연결하여 10분간 챔버 내부에서 나오는 가스를 포집하였다. 상기 가스량은 GC-Mass 를 통해서 분석하였다.
실험예 2( 전지셀 수명 평가)
디개싱 후, 45℃에서 CC/CV 4.2V 1C 충전 - 20분 휴지 - CC 3.0V 2C 방전 - 20분 휴지의 순으로 300 사이클을 수행한 후에 전지셀의 용량을 측정하여 전지셀의 수명을 평가하였다.
실시예, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 제조 방법으로 제조된 전지셀의 잔존 가스량을 분석하기 위하여 실험예 1을 수행한 결과와 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 제조 방법으로 제조된 전지셀의 수명 평가를 위하여 실험예 2를 수행한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
　 실시예 비교예 1 비교예 2 비교예 3
잔존 가스량 (V/V, %) 1.2 8.3 6.1 6.7
300사이클 후
잔존 전지셀 용량 (%)		 98.2 95.9 96.9 -
표 1의 결과를 보면 롤 프레스 또는 평판 프레스를 인가하지 않은 경우(비교예 1)의 잔존 가스량이 가장 높고, 롤 프레스를 인가한 경우(실시예)의 잔존 가스량이 가장 낮아 본 발명의 제조 방법으로 제조한 전지셀의 잔존 가스량이 가장 낮은 것을 알 수 있다.
또한, 가스 포켓부(50)가 전지셀의 측면(30, 40) 쪽에 형성되어 롤 프레스를 전지셀의 일 측면으로부터 타 측면으로 인가한 경우(비교예 3)의 잔존 가스량이 전극단자(60)가 노출된 상단(10)으로부터 하단(20) 방향으로 롤(70) 프레스한 경우(실시예)의 잔존 가스량보다 높으므로, 가스 포켓부(50)를 전지셀의 측면(30,40)에 형성하는 것보다 전지셀의 하단(20)에 형성하는 것이 이후의 롤 프레스과정을 통한 가스 제거에 가장 효율적인 것임을 알 수 있다.
또한, 도 5에는 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 방법으로 제조된 전지셀 각각의 전지 용량이 도시되어 있다. 상기 도 5는 수명 평가의 싸이클이 진행됨에 따라 전지 용량이 변화하는 양상으로 표현되어 있다.
도 5를 보면, 롤 프레스를 인가하여 제조된 실시예에서, 전지용량의 수명 평가 싸이클이 진행됨에 따른 감소폭이 가장 작은 것을 알 수 있다.
10: 전지셀의 상단
20: 전지셀의 하단
30, 40: 전지셀의 측면
50: 가스 포켓부
60: 전극 단자
70: 롤
80: 전지셀 내부에서 발생한 가스가 포집된 부분
90: 절단부

Claims (14)

  1. (a) 내부에 전극 조립체 및 전해액이 수용된 전지셀을 마련하는 단계;
    (b) 상기 전지셀을 충전하거나 적어도 1회 이상의 충전 및 방전을 실시하여 상기 전지셀을 활성화하는 단계;
    (c) 상기 전지셀에 롤 프레스를 이용하여 압력을 인가함으로써 상기 전지셀 내부에 발생한 가스를 일 방향으로 유도하는 단계; 및
    (d) 상기 일 방향으로 유도된 가스를 배출시키는 단계를 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계의 상기 전극 조립체는 스택 앤 폴딩형 전극 조립체인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계의 상기 전지셀은 유도된 가스를 수용하기 위한 가스 포켓(gas pocket)부를 추가로 구비한 것인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 1.5V 내지 5.0V의 전압조건에서 0.05C 내지 1C의 전류로 충전한 후 다시 만방전하는 과정을 반복하여 상기 전지셀을 활성화시키는 것인 파우치형 이차전지의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 상기 롤 프레스의 선속이 0.5m/min. 내지 10m/min.이며, 3kgf/㎠ 내지 200kgf/㎠ 의 압력으로 상기 롤 프레스를 수행하는 것인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 롤 프레스를 전지셀의 상단에서 하단 방향으로 이동시키면서 수행되는 것이 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 상기 (b)단계와 동시에 또는 상기 (b)단계 이후에 수행되는 것인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 상기 (b)단계의 전부 또는 일부 과정에서 수행되는 것인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 감압상태의 진공챔버에서 수행하는 것인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계는, 상기 전지셀의 일부를 개방하는 방법으로 수행되는 것인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 (d)단계는, 상기 가스 포켓(gas pocket)부의 일부 또는 전부를 개방하는 방법으로 수행되는 것인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 감압상태의 진공챔버에서 수행되는 것인 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
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