KR102181551B1 - 전자기장을 이용하는 전지셀의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지셀의 디개싱(degassing)시에 전지셀 주위에 전자기장이 형성되도록 하는 공정을 포함하여, 전해액이 토출되는 양이 제어되도록 한 전지셀의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

전자기장을 이용하는 전지셀의 제조 방법 {A method of battery cell using electromagnetic field}

본 발명은 전자기장을 이용하는 전지셀의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 디개싱 공정시에 유도전류 자기장을 전지셀에 적용함으로써 전지셀로부터 의도하지 않은 양의 전해액이 토출되는 것을 제어하는 방법에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능하고 가벼우면서도 에너지 밀도 및 출력 밀도가 높은 리튬이차전지가 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 기존 내연기관 자동차의 대기오염 및 온실가스 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV), 배터리 전기자동차(BEV), 전기자동차(EV) 등이 제시되고 있는데, 리튬이차전지는 이러한 내연기관 대체 자동차의 동력원으로서도 주목받고 있다.

이차전지 제조를 위해서는 전극조립체를 전지 케이스에 수납하고 전해액을 주입한 후에, 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시키는 포메이션 과정을 진행한다. 이를 위해, 예컨대, 0.2C의 전류로 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 방식으로 포메이션이 진행될 수 있다. 이러한 포메이션 과정 중에 전지셀의 내부에는 가스가 발생하게 되며, 발생된 가스와 잉여 전해액은 데드 스페이스(dead space)에 모여 포집된다.

이와 같이 발생된 가스는, 피어싱 툴(piercing tool) 등을 통해 전지 케이스에 개봉되거나 절개된 배출구를 통하여 제거된다. 이처럼 전지셀 내부의 가스를 배출시키는 공정을 흔히 디개싱(degassing) 공정이라 한다.

이어서, 데드 스페이스에 포집된 가스를 제거하기 위해 디개싱(degassing) 공정이 수행된다. 디개싱 공정에서는 가스 제거를 위한 피어싱 툴(piercing tool)을 데드 스페이스의 상면과 하면에 적용함으로써 전지 케이스 내부와 통하는 관통구가 형성된다.

이러한 디개싱 공정 중 파우치형 전지에 셀 프레스를 적용하여 디개싱하는 종래 방법의 일 양태를 도 1a와 도 1b를 참조하여 살펴보면, 파우치형 전지(100)에는 전지셀(110)이 전해액(120)에 함침되어 수납되어 있고, 가스 포집을 위한 공간(130)이 형성되어 있다. 상기 파우치형 전지(100)는 가스 배출을 위해 고정된 지지체(220)에 배치되며, 상기 파우치형 전지(100)의 일면에 셀 프레스(210)가 하강한다. 또는 도면에 도시되지는 않았으나, 파우치형 전지의 상하 또는 좌우에 플레이트(plate) 형태의 트레이(tray)를 위치시킨 상태에서 파우치형 전지의 상하 또는 좌우로 양면에서 2개의 셀 프레스를 사용하여 압력을 인가할 수 있다. 이러한 셀 프레스의 적용에 의해, 파우치형 전지에 포집되어 있던 가스가, 피어싱 툴(300)에 의해 형성된 관통구를 거쳐 전지 외부로 배출된다.

또한, 각형 또는 원통형 전지로부터 가스를 배출하는 종래 방법을 도 1c를 참조하여 살펴보면, 전지셀 내부와 외부간 압력차를 발생시켜 가스가 배출되도록 하기 위해 전지셀(100')을 지지체(220')에 넣어 진공 챔버(200')에 배치하고 파우치형 전지(100)에 포집되어 있던 가스가, 피어싱 툴(300')에 의해 형성된 관통구를 거쳐 전지 외부로 배출되도록 한다.

그런데, 이러한 디개싱 공정을 통해 가스를 배출시켜 제거하는 경우, 가스뿐만 아니라 전해액도 함께 토출되는데, 전해액 토출량이 적절하게 제어되지 않아 전해액 잔존량이 적절하게 제어되지 못하고 전지 제품을 오염시키는 문제점이 있었다. 또한, 전해액 잔존량이 적절하게 제어되지 못하기 때문에 목적하는 전지 사이클 성능을 얻지 못할 뿐만 아니라, 전해액에 기포가 발생되도록 하여 전지 품질 및 수명이 저하되는 문제점도 있었다.

본 발명은 디개싱(degassing) 공정시 전해액 토출을 제어하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 전지셀의 디개싱(degassing)시에 전지셀 주위에 전자기장이 형성되도록 하는 공정을 포함하는 전지셀의 제조 방법이 제공된다.

상기 전지셀은 파우치형 전지셀이고, 상기 파우치형 전지셀을 가압하는 셀 프레스 및 상기 파우치형 전지셀을 지지하는 지지체에 전자기장 형성 수단을 구비할 수 있다.

또는, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀이고, 상기 파우치형 전지셀을 가압하는 2개의 셀 프레스에 전자기장 형성 수단을 구비할 수 있다.

또는, 상기 전지셀은 각형 또는 원통형 전지셀이고, 전자기장 형성 수단이, 디개싱 공정이 이루어지는 진공 챔버의 외부에서 진공 챔버의 측면과 하면을 둘러싸고 있고, 또 다른 전자기장 형성 수단이 전지셀 외면과 밀착되면서 전지셀의 측면과 하면을 둘러싸서 전지셀을 수납할 수 있다.

상기 전자기장 형성 수단이 마그네틱 모듈일 수 있다.

상기 마그네틱 모듈은 전자석 또는 영구자석일 수 있다.

본 발명에 따라 유도전류 자기장을 이용하여 디개싱(degassing) 공정을 수행하는 경우, 전해액 토출량을 제어할 수 있다. 그 결과, 의도하지 않은 전해액 토출이 발생하는 현상을 방지할 수 있고, 전해액 잔존량 제어 또한 가능하게 된다. 따라서, 성능 및 신뢰성이 우수한 전지의 획득이 가능하게 된다.

도 1a는 파우치형 전지를 탈기시키는 종래 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 파우치형 전지를 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
도 1c는 각형 전지를 탈기시키는 종래 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 파우치형 전지를 탈기시키는 본 발명의 일 양태에 따른 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2b는 도 2a의 장치에 자기장이 형성된 양태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2c는 각형 전지를 탈기시키는 본 발명의 일 양태에 따른 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 전지셀의 디개싱시에 전지셀 주위에 전자기장이 형성되도록 하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용가능한 전지셀은 음극, 양극, 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터 및 전해액을 포함하여 이루어진 1개 이상의 전지로 이루어질 수 있으며, 상기 전지셀은 절연 케이스에 수납되도록 조립 제조될 수 있다.

본 발명에서 사용가능한 음극, 양극, 세퍼레이터 및 전해액은 당업계에서 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.

상기 절연 케이스는 전지의 외형을 이루는 구성요소에 해당하며, 전해액 및 전극판 등을 수용할 수 있을 정도의 충분한 공간을 내부에 형성하는 것이다. 이러한 절연 케이스는 라미네이트 시트(laminate sheet)로 형성된 이차전지용 파우치, 직육면체 형상의 전지케이스, 원통형이나 다각면체 등과 같은 전지케이스를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

전지셀이 파우치형 전지인 경우를 도 2a와 도 2b를 참조하여 살펴보면, 1개 또는 2개의 셀 프레스를 하강시켜 전지셀(100)의 일면을 균일하게 눌러줌으로써 전지셀에 압력을 인가하되, 셀 프레스(210)와 지지체(200) 에는 전자기장 형성 수단(500)인 제1 전자석과 제2 전자석이 위, 아래에 구비되어 있다.

일 실시양태에서, 제1 전자석은 전지의 상측, 예컨대, 셀 프레스 내에 설치되어 양이온 및 음이온 중 어느 하나를 끌어당기는 자력(유도전류)을 발생시키고, 제2 전자석은 전지의 하측, 예컨대, 셀 지지체 내에 설치되어 양이온 및 음이온 중 다른 하나를 끌어당기는 자력을 발생시킬 수 있다. 즉, 전자석에 의해 전지 상측에 있는 전자석과 전지간에 및 전자 하측에 있는 전자석과 전지간에 자력이 발생한다. 상기 전자기장 형성 수단(500)으로부터 유도 전류가 발생하면 도 2b에 도시된 바와 같이 전자기장(510)이 형성되고, 이로써 파우치형 전지(100)로부터 발생된 가스는 관통구(300)를 통해 배출되되, 전해액(120)의 토출량은 제어될 수 있게 된다. 이는 전해액이 극성을 갖기 때문에, 유도전류로 형성되는 자기장에 의해 토출구로의 이동이 제어되어 토출되지 않고 상대적으로 유동성이 큰 가스만이 배출되기 때문이다.

상기 자기장의 세기는 전류량을 제어하는 모듈을 비롯한 제어부(도시되지 않음)에 의해 조절될 수 있다. 자기장의 세기가 전해액 토출량에 영향을 줄 수 있으므로, 제어부를 통해 자기장 발생부로부터 형성되는 자기장 세기를 조절함으로써 전해액이 토출구로 이동하는 경향을 제어할 수 있다.

상기 자기장 세기는 0.1 내지 1000 tesla 범위일 수 있다. 자기장 세기가 너무 약할 경우에는 전해액 토출이 적절하게 제어될 수 없으며, 자기장 세기가 지나치게 클 경우에는 전력소비가 지나치게 커져 생산성이 저하될 수 있다. 비제한적인 예로, 1.0 A/cm² 전류밀도에서 0.1 내지 3 tesla 범위의 자기장이 전지셀 주위에 형성되도록 하면서 디개싱 공정이 수행될 수 있다.

또는, 파우치형 전지의 상하 또는 좌우에 플레이트(plate) 형태의 트레이(tray)를 위치시킨 상태에서 파우치형 전지의 상하 또는 좌우로 양면에서 2개의 셀 프레스를 사용하는 경우에는 상기 2개의 셀 프레스가 전자기장 형성 수단을 구비하도록 할 수 있다. 예컨대, 상기 2개의 셀 프레스 내에 전자석이 내장되어 있을 수 있다.

상기에서 셀 프레스를 통해 전지셀에 인가되는 압력은 5 ~ 15 kgf/㎠ 범위일 수 있다. 필요에 따라, 피어싱 툴로 관통구에 진공을 인가하는 방식으로 전지셀 내부와 외부간에 압력차를 발생시켜 가스를 관통구를 통해 진공실로 흡입 제거할 수 있다.

전지셀이 각형 또는 원통형 전지인 경우에는 셀 프레스를 사용하기 곤란하므로, 도 2c에 도시된 바와 같이 전지셀(100')을 진공 챔버(200')에 넣어 전지셀의 내부와 외부간에 압력차를 발생시켜 가스가 관통구(300')를 통해 배출되도록 한다. 이 경우, 전지셀(100') 외면과 밀착되면서 전지셀(100')의 측면과 하면을 둘러싸서 전지셀(100)'을 수납하고 있는 전자기장 형성 수단(500') 및/또는 진공 챔버(200')의 외부에서 진공 챔버(200')의 측면과 하면을 둘러싸고 있는 전자기장 형성 수단(500')에 의해 형성되는 전자기장이 전지셀(100')에 포함되어 있는 전해액 토출을 낮게 해준다.

이와 같이 가스 배출이 완료되면 전지셀 관통구를 밀폐시키며, 이 후의 공정들은 종래와 동일하게 이루어질 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 상기 셀 프레스, 지지체, 전지셀 외표면 또는 챔버에 적용된 전자기장 형성 수단으로부터 전자기장이 형성되도록 하기 위해서는 상기 전자기장 형성 수단에 직류전원을 인가하는 전원 접속단자가 구비될 수 있다. 상기 전원 접속단자에는 직류 또는 펄스 형태의 직류 또는 여러 모양의 전력파 중 어느 하나가 입력될 수 있다. 전자기장 형성 수단이 영구 자석이 아닐 경우, 즉 유도코일일 경우는 별도의 전력 공급장치가 외부에 있으며 전자기장을 형성하는 전력의 형태는 직류일 수도 있으나 펄스형태, 혹은 고주파 형태일 수 있다.

상기 전자기장 형성수단은 마그네틱 모듈일 수 있다. 이 때, 상기 마그네틱 모듈은 전자석 또는 영구자석 중 어느 하나일 수 있다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 전지셀의 디개싱(degassing)시에 전지셀 주위에 전자기장이 형성되도록 하는 공정을 포함하고,
   상기 전지셀이 파우치형 전지셀이고, 상기 파우치형 전지셀을 가압하는 셀 프레스 및 상기 파우치형 전지셀을 지지하는 지지체에 전자기장 형성 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
   
3. 전지셀의 디개싱(degassing)시에 전지셀 주위에 전자기장이 형성되도록 하는 공정을 포함하고,
   상기 전지셀이 파우치형 전지셀이고, 상기 파우치형 전지셀을 가압하는 2개의 셀 프레스에 전자기장 형성 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
   
4. 전지셀의 디개싱(degassing)시에 전지셀 주위에 전자기장이 형성되도록 하는 공정을 포함하고,
   상기 전지셀이 각형 또는 원통형 전지셀이고,
   전자기장 형성 수단이, 디개싱 공정이 이루어지는 진공 챔버의 외부에서 진공 챔버의 측면과 하면을 둘러싸고 있고, 또 다른 전자기장 형성 수단이 전지셀 외면과 밀착되면서 전지셀의 측면과 하면을 둘러싸서 전지셀을 수납하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
   
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자기장 형성 수단이 마그네틱 모듈인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 마그네틱 모듈이 전자석 또는 영구자석인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.

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