KR102177819B1 - 각형 이차전지의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각형 이차전지의 제조 방법 및 제조 장치을 개시한다. 본 발명에 따른 각형 이차전지의 제조 방법은, 각형 이차전지의 두께 방향 양측에 지그를 설치하고 가압하는 단계; 상기 각형 이차전지에 전해액을 주입하고 전류를 인가하여 충전을 수행하는 단계; 및 상기 각형 이차전지의 전해액 주입구에 가스 제거 장치를 설치하여 가스를 제거하는 단계;를 포함한다.

Description

각형 이차전지의 제조 방법 및 제조 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING OF PRISMATIC SECONDARY BATTERY}
본 발명은 각형 이차전지의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 각형 이차전지의 제조 공정 중 1차 공정에서 발생할 수 있는 전지 내부의 가스 제거 및 스웰링 억제를 위한 각형 이차전지의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이러한 이차전지는 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결한 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다.
한편, 리튬 이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다. 그리고, 캔형 이차전지는 다시 금속 캔의 형태에 따라 원통형 전지와 각형 전지로 분류될 수 있다. 이러한 각형 또는 원통형 이차전지의 외장재는 개방단이 형성된 케이스, 즉 전지캔 및 전지캔의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체를 구비한다.
이 중에서 각형 이차전지는, 주로 직육면체의 형상을 가지며, 수개의 이차전지를 적층하는 것이 용이하다는 등 다양한 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 각형 이차전지를 개략적으로 나타낸 도면, 도 2는 스웰링 현상이 발생한 각형 이차전지의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 각형 이차전지(1)는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체를 수용하는 전지 케이스(20) 및 상기 전지 케이스의 상부를 덮는 캡 조립체(10)를 포함한다. 이때, 상기 전지 케이스(20)는 2개의 장변부(l)와 2개의 단변부(s)로 형성될 수 있다. 한편, 상기 캡 조립체(10)의 일 측면에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(11)가 형성될 수 있다.
이때, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 각형 이차전지의 제조는 1차와 2차 공정으로 나누어 진행할 수 있다. 즉, 상기 1차 공정은 전해액을 1차로 각형 이차전지의 내부에 주입하고 전류를 인가하여 충전을 진행하는 것(PPF(Prismatic Pre-Formation) 공정)이고, 2차 공정은 상기 1차 공정 후, 전해액을 2차로 주입한 뒤 전해액 주입구(11)를 막아 각형 이차전지(1)를 제조하는 것이다. 이때, 상기 1차 공정을 진행함에 있어서, 충전을 진행할 경우, 각형 이차전지(1)의 내부에 전해액 주입구(11)를 통해 전해액을 주입한 상태로 1시간 이상을 대기한 후 전류를 인가하여 충전을 진행하게 되는데, 상기 충전 시 상기 각형 이차전지(1)의 내부에는 가스가 발생할 수 있다. 상기 각형 이차전지(1)는 상술한 바와 같이 발생한 가스가 충분히 제거되지 못해 두께가 증가하는 스웰링(swelling) 현상이 발생한다. 보다 자세하게는, 도 2에 도시된 바와 같이 전지 케이스(20)의 장변부(l)가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생한다.
일본공개특허 제2007-005069호(2007.01.11 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 충전을 진행함에 있어서 각형 이차전지의 스웰링 현상을 방지하고, 충전시 발생하는 가스를 제거하는 각형 이차전지의 제조 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 각형 이차전지의 제조 방법은, 각형 이차전지의 두께 방향 양측에 지그를 설치하고 가압하는 단계; 상기 각형 이차전지에 전해액을 주입하고 전류를 인가하여 충전을 수행하는 단계; 및 상기 각형 이차전지의 전해액 주입구에 가스 제거 장치를 설치하여 가스를 제거하는 단계;를 포함한다.
상기 가스를 제거하는 단계는, 흡입 공정과 벤트 공정을 번갈아 실시한다.
상기 가스 제거 장치는, 노즐 형상 또는 깔대기 형상 중 어느 하나이다.
상기 가스를 제거하는 단계는, 상기 가스 제거 장치와 상기 전해액 주입구의 경계 부분에 전해액 배출 방지 장치를 설치하여 가스는 통과시키고 상기 전해액은 통과시키지 않는다.
상기 전해액 배출 방지 장치는, 필터일 수 있다.
각형 이차전지는 상술한 방법 중 어느 하나에 따라 제조될 수 있다.
배터리 팩은 상술한 방법 중 어느 하나에 따라 제조된 각형 이차전지를 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 각형 이차전지의 제조 장치는, 일면에 전해액 주입구를 구비하는 각형 이차전지; 및 상기 각형 이차전지의 두께 방향 양측에 설치되어 가압하는 지그;를 포함한다.
상기 각형 이차전지의 상기 전해액 주입구에 설치되어 상기 각형 이차전지 내부의 가스를 제거하는 가스 제거 장치를 더 포함한다.
상기 가스 제거 장치와 상기 전해액 주입구의 경계 부분에는 가스는 통과시키고 상기 전해액은 통과시키지 않는 전해액 배출 방지 장치를 더 포함한다.
상기 가스 제거 장치는, 노즐 형상 또는 깔대기 형상 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전해액 배출 방지 장치는, 필터일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 각형 이차전지의 두께 방향(예컨대, 장변부)의 양측에 지그를 설치함으로써 스웰링 현상을 방지함으로써 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 각형 이차전지의 전해액 주입구에 가스 제거 장치를 설치함으로써 충전시 발생하는 가스 제거를 보다 용이하게 할 수 있다.
또한, 전해액 주입구와 가스 제거 장치가 접하는 부위에 필터를 설치하여 가스 제거 공정시, 전해액이 전지의 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래기술에 따른 각형 이차전지를 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 스웰링(swelling) 현상이 발생한 각형 이차전지의 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 각형 이차전지의 제조 장치 및 공정을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각형 이차전지 제조 장치의 가스 제거 공정을 개략적으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각형 이차전지의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 각형 이차전지의 제조 장치 및 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 각형 이차전지(300)는 제조 공정에 있어서, 1 차 공정 진행시 내부에 전해액을 주액한 상태로 1시간 이상을 대기한 후, 충전을 진행한다.
이때, 상기 충전을 진행함에 앞서, 각형 이차전지(300)의 두께 방향, 보다 자세하게는, 전지 케이스의 장변부(l) 양측에 지그(200)를 설치한다. 상기 지그(200)는 각형 이차전지(300)의 충전시 발생하는 가스로 인해 상기 각형 전지가 부풀어 오르는 것(스웰링 현상)을 방지하기 위한 것이다. 한편, 상기 공정(스웰링 현상 방지 공정)을 진행함에 있어서, 상기 지그(200)를 전지 케이스의 장변부(l) 양측에 위치시켜 전지 케이스 방향으로 상기 전지 케이스의 두께만큼 가압할 수 있다. 또한, 상기 공정(스웰링 현상 방지 공정)을 진행함에 있어서, 전지 케이스의 두께에 맞춰 고정된 지그(200) 사이에 상기 전지 케이스를 삽입하고 충전을 진행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 각형 이차전지(300)는 스웰링 방지 공정(지그(200)를 통한 스웰링 방지)을 통해 전지 케이스가 부풀어 오르는 것을 방지할 수 있다. 이때, 충전을 진행함에 있어서 발생하는 각형 이차전지(300) 내부의 가스는, 전해액 주입구(111)를 통해 외부로 배출된다. 하지만, 본 실시 예에서는, 보다 효과적인 가스 배출을 위해 아래와 같이 가스 제거 장치(400)를 전해액 주입구(111)에 설치하여 가스를 제거한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각형 이차전지 제조 장치의 가스 제거 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 가스 제거 공정시, 각형 이차 전지의 전해액 주입구(111)에는 가스 제거 장치(400)를 설치할 수 있다.
상기 가스 제거 장치(400)는 각형 이차전지(300)의 충전시 발생하는 가스를 보다 효율적으로 외부로 배출시켜, 상기 각형 이차전지(300) 내부의 가스를 제거하는 것을 목적으로 한다.
이때, 상기 가스 제거 장치(400)는 노즐 형상 또는 깔때기 형상일 수 있지만 이에 한하지 않으며, 각형 이차전지(300) 내부의 가스를 외부로 배출시킬 수 있으면 관계 없다.
한편, 상기 가스 제거 장치(400)는 진공 펌프(미도시)와 연결될 수 있으며, 상기 진공 펌프를 동작시키는 흡입 공정을 통해 각형 이차전지(300) 내부의 가스를 외부로 배출시킬 수 있다. 상기 흡입 공정은, 진공 펌프를 동작시켜 각형 이차전지(300)의 내부를 진공상태로 만들고 상기 각형 이차전지(300) 내부의 가스를 외부로 배출시키는 것으로, 절대진공의 90% 수준으로 3초씩 2회 실시할 수 있다. 한편, 상기 각형 이차전지(300)의 내부에는 가스뿐만 아니라 전해액이 존재하는데, 상술한 바와 같은 흡입 공정을 계속적으로 수행하게 되면, 각형 이차전지(300)의 내부의 가스뿐만 아니라 전해액도 외부로 배출(휘발)되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같은 문제점을 방지하기 위해 흡입 공정과 벤트 공정을 번갈아 수행하여 전해액의 배출(휘발)을 최소화할 수 있다. 이때, 상기 벤트 공정은 흡입 공정과 반대되는 공정으로, 진공 펌프의 동작을 중지하여 상기 흡입 공정으로 형성된 각형 이차전지(300) 내부의 진공 상태를 일시적으로 풀어주는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 각형 이차전지(300)와 가스 제거 장치(400)가 만나는 경계 부분에 전해액 배출 방지 장치를 설치할 수 있다. 상기 전해액 배출 방지 장치는, 상기 흡입 공정시 발생할 수 있는 전해액의 외부 배출을 방지하기 위한 것일 수 있다. 이때, 상기 전해액 배출 방지 장치는 가스와 같은 기체만 통과 시키고 전해액과 같은 액체는 통과시키지 않는 필터일 수 있다. 또한, 상기 전해액 배출 방지 장치는 각형 이차전지(300)의 전해액 주입구(111)에 설치되거나 또는 가스 제거 장치(400)의 흡입부(예컨대, 각형 이차전지(300)의 전해액 주입구(111) 방향으로 형성된 가스 제거 장치(400)의 일측부)에 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각형 이차전지의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
각형 이차전지(300)의 제조는 1차와 2차 공정으로 나누어 진행되며, 상기 1차 공정은 전해액을 1차로 각형 이차전지(300)의 내부에 주입하고 전류를 인가하여 충전을 진행하는 것이고, 2차 공정은 상기 1차 공정 후, 전해액을 2차로 주입한 뒤 전해액 주입구(111)를 막아 각형 이차전지(300)를 제조하는 것이다.
본 실시 예에서는 상기 1차 공정 진행시 발생할 수 있는 스웰링 현상 발생에 따른 각형 이차전지(300)의 변형 방지 및 가스 제거를 위한 것으로, 그 절차는 도 5에 도시된 바와 같다.
먼저, 전해액이 삽입된 각형 이차전지(300)의 두께 방향 양측(예컨대, 전지 케이스의 장변부(l) 양측)에 지그(200)를 설치하고 각형 이차전지(300)의 내측 방향으로 가압한다(S510). 이때, 상기 지그(200)는 상기 각형 이차전지(300)의 두께만큼만 가압한다. 또한, 상기 각형 이차전지(300)의 두께에 맞춰 고정된 지그(200) 사이에 상기 각형 이차전지(300)를 삽입하고 충전을 진행할 수 있다. 상술한 바에 따라 충전을 진행함에 있어서 발생하는 각형 이차전지(300) 내부의 가스는, 전해액 주입구(111)를 통해 배출된다. 하지만, 본 실시 예에서는 보다 효과적인 가스 배출을 위해 가스 제거 장치(400)를 전해액 주입구(111)에 설치하여 가스를 제거한다.
즉, 각형 이차전지(300)의 전해액 주입구(111)에 가스 제거 장치(400)를 설치하고, 가스 제거 공정을 수행한다(S530). 이때, 상기 가스 제거 장치(400)는 노즐 형상 또는 깔때기 형상일 수 있지만 이에 한하지 않으며, 각형 이차전지(300) 내부의 가스를 외부로 배출시킬 수 있으면 관계 없다. 상기 가스 제거 장치(400)는 진공 펌프(미도시)와 연결될 수 있으며, 상기 진공 펌프를 동작시키는 흡입 공정을 통해 각형 이차전지(300) 내부의 가스를 외부로 배출시킬 수 있다. 상기 흡입 공정은 절대진공의 90% 수준으로 3초씩 2회 실시할 수 있다.
한편, 상기 각형 이차전지(300)의 내부에는 가스뿐만 아니라 전해액이 존재하는데, 상술한 바와 같은 흡입 공정을 계속적으로 수행하게 되면, 각형 이차전지(300)의 내부의 가스뿐만 아니라 전해액도 외부로 배출(휘발)되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같은 문제점을 방지하기 위해 흡입 공정과 벤트 공정을 번갈아 수행하여 전해액의 배출(휘발)을 최소화할 수 있다. 이때, 상기 벤트 공정은 흡입 공정과 반대되는 공정으로, 진공 펌프의 동작을 중지하여 상기 흡입 공정으로 형성된 각형 이차전지(300) 내부의 진공 상태를 일시적으로 풀어주는 것을 의미한다.
이때, 상기 가스 제거 장치(400)와 각형 이차전지(300)가 만나는 경계 부분에 전해액 배출 방지 장치를 설치하고, 가스 제거 공정을 수행할 수 있다. 상기 전해액 배출 방지 장치는, 흡입 공정시 발생할 수 있는 전해액의 외부 배출을 방지하기 위한 것일 수 있다. 이때, 상기 전해액 배출 방지 장치는 가스만 통과 시키고 전해액과 같은 액체는 통과시키지 않는 필터일 수 있다. 또한, 상기 전해액 배출 방지 장치는 각형 이차전지(300)의 전해액 주입구(111)에 설치되거나 또는 가스 제거 장치(400)의 흡입부(예컨대, 각형 이차전지(300)의 전해액 주입구(111) 방향으로 형성된 가스 제거 장치(400)의 일측부)에 설치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 스웰링 발생에 따른 각형 이차전지(300)의 변형을 방지할 수 있다. 또한, 각형 이차전지(300)의 충전시 발생하는 가스를 보다 효율적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 각형 이차전지(300)는 상술한 방법을 통해 제조될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 상기 상술한 방법을 통해 제조된 상기 각형 이차전지(300)를 포함한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
l : 장변부
s : 단변부
10 : 캡 조립체
20 : 전지 케이스
11, 111 : 전해액 주입구
200 : 지그
300 : 각형 이차전지
400 : 가스 제거 장치

Claims (12)

  1. 각형 이차전지의 두께 방향 양측에 지그를 설치하고 가압하는 단계;
    상기 각형 이차전지에 전해액을 주입하고 전류를 인가하여 충전을 수행하는 단계; 및
    상기 각형 이차전지의 전해액 주입구에 가스 제거 장치를 설치하여 가스를 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 가스 제거 장치는 각형 이차전지의 충전시 발생하는 가스를 제거하도록 구성되며,
    상기 가스를 제거하는 단계는, 상기 각형 이차전지의 내부를 진공 상태로 만들고 상기 각형 이차전지의 내부의 가스를 외부로 배출시키는 흡입 공정과, 상기 흡입 공정으로 형성된 각형 이차전지 내부의 진공 상태를 일시적으로 풀어주는 벤트 공정을 번갈아 실시하는 각형 이차전지의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 제거 장치는,
    노즐 형상 또는 깔대기 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스를 제거하는 단계는,
    상기 가스 제거 장치와 상기 전해액 주입구의 경계 부분에 전해액 배출 방지 장치를 설치하여 가스는 통과시키고 상기 전해액은 통과시키지 않는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전해액 배출 방지 장치는, 필터인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 각형 이차전지의 제조 장치에 있어서,
    일면에 전해액 주입구를 구비한 각형 이차전지의 두께 방향 양측에 설치되어 가압하는 지그; 및
    상기 각형 이차전지의 상기 전해액 주입구에 설치되어 상기 각형 이차전지 내부의 가스를 제거하는 가스 제거 장치를 포함하고,
    상기 가스 제거 장치는 각형 이차전지의 충전시 발생하는 가스를 제거하도록 구성되며,
    상기 가스 제거 장치는 상기 각형 이차전지의 내부를 진공 상태로 만들고 상기 각형 이차전지의 내부의 가스를 외부로 배출시키는 흡입 공정과, 상기 흡입 공정으로 형성된 각형 이차전지 내부의 진공 상태를 일시적으로 풀어주는 벤트 공정을 번갈아 실시하도록 구성된 제조 장치.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 제거 장치와 상기 전해액 주입구의 경계 부분에는 가스는 통과시키고 상기 전해액은 통과시키지 않는 전해액 배출 방지 장치를 더 포함하는 제조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 제거 장치는,
    노즐 형상 또는 깔대기 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전해액 배출 방지 장치는, 필터인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
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