KR102221805B1 - 커브드 이차 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 밀봉하는 파우치를 포함하는 평면형의 이차 전지를 준비하는 단계, 상기 평면형의 이차 전지가 제1 곡률 반경을 가지도록, 제1 지그 내에 상기 평면형의 이차 전지를 위치시키고, 가압하는 제1 차 성형 단계, 1차 성형된 이차 전지가 제2 곡률 반경을 가지도록, 제2 지그 내에 상기 1차 성형된 이차 전지를 위치시키고, 가압하는 제2 차 성형 단계 및 상기 제2 지그 내에 상기 2차 성형된 이차 전지가 장착된 상태로 소정시간 유지하는 유지 단계를 포함하는 커브드 이차 전지의 제조 방법을 개시한다.
Description
본 발명은 커브드 이차 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전을 반복하여 사용할 수 있는 전지로써, 경제적이고, 친환경적이므로 그 사용이 장려되고 있다. 한편, 최근에는 이차 전지가 사용되는 전자 기기들의 종류가 다양화되고 있으며, 전자 기기들의 디자인적인 요소가 전자 기기들의 구매를 결정하는 중요한 요소가 되고 있다.
예를 들어, 이차 전지를 전원 공급원으로 사용하는 다양한 입는 컴퓨터(wearable computer) 기술과 그 응용 사례들이 개발 및 발표되고 있고, 또한, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등과 같은 전자 기기는 인체공학적인 설계를 위해 소정의 곡면을 갖는 디자인을 포함하도록 설계되고 있다. 이에, 이러한 전자 기기들을 동작시키기 위한 이차 전지 역시, 전자 기기들의 형상에 따라 소정의 곡면을 갖도록 형성될 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 커브드 이차 전지의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 커브드 이차 전지의 제조 방법은, 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 밀봉하는 파우치를 포함하는 평면형의 이차 전지를 준비하는 단계, 상기 평면형의 이차 전지가 제1 곡률 반경을 가지도록, 제1 지그 내에 상기 평면형의 이차 전지를 위치시키고, 가압하는 제1 차 성형 단계, 1차 성형된 이차 전지가 제2 곡률 반경을 가지도록, 제2 지그 내에 상기 1차 성형된 이차 전지를 위치시키고, 가압하는 제2 차 성형 단계 및 상기 제2 지그 내에 상기 2차 성형된 이차 전지가 장착된 상태로 소정시간 유지하는 유지 단계를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 곡률 반경이 상기 제2 곡률 반경보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 지그는 서로 분리되는 제1 상부 지그와 제1 하부 지그를 포함하고, 상기 제1 상부 지그와 상기 제1 하부 지그 중 어느 하나는 상기 제1 곡률 반경을 가지는 제1 볼록부를 포함하고, 상기 제1 상부 지그와 상기 제1 하부 지그 중 다른 하나는 상기 제1 볼록부에 대응하는 제1 오목부를 포함하며, 상기 제1 오목부는 상기 제1 곡률 반경보다 큰 곡률 반경을 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 차 성형 단계에서, 상기 제1 지그는 상기 평면형의 이차 전지를 가열할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 지그는 20℃ 내지 80℃로 상기 평면형의 이차 전지를 가열할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 볼록부와 상기 제1 오목부에는 각각 완충부재가 부착될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 차 성형 단계에서, 상기 제1 지그는 1kgF/㎠ 내지 5kgF/㎠의 제1 압력으로, 3초 내지 30초 동안 상기 평면형의 이차 전지를 가압할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 지그는 1kgF/㎠ 내지 3kgF/㎠의 제1 초기 압력에서 3kgF/㎠ 내지 5kgF/㎠의 제1 종료 압력으로 상기 제1 압력을 증가시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 지그는 오븐 내에 위치하고, 서로 분리되는 제2 상부 지그와 제2 하부 지그를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 지그는 금속으로 형성되고, 상기 오븐은 50℃ 내지 75℃로 상기 제2 지그를 가열할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 차 성형 단계에서, 상기 제2 지그는 3.5kgF/㎠ 내지 8kgF/㎠의 제2 압력으로, 1시간 내지 4시간 동안 상기 1차 성형된 이차 전지를 가압할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 지그는 3.5kgF/㎠ 내지 6kgF/㎠의 제2 초기 압력에서 6kgF/㎠ 내지 8kgF/㎠의 제2 종료 압력으로 상기 제2 압력을 증가시킨 후, 상기 제2 종료 압력을 소정시간 유지할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 상부 지그와 상기 제2 하부 지그 중 어느 하나는 상기 제2 곡률 반경을 가지는 제2 볼록부를 포함하고, 상기 제2 상부 지그와 상기 제2 하부 지그 중 다른 하나는 상기 제2 볼록부에 대응하는 제2 오목부를 포함하며, 상기 제2 오목부는 상기 제2 곡률 반경보다 큰 곡률 반경을 가지고, 상기 제2 볼록부와 상기 제2 오목부에는 각각 완충부재가 부착될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 2차 성형된 이차 전지의 초기 충방전을 수행하는 초기 충방전 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 초기 충방전 단계에서 상기 제2 곡률 반경의 일부가 회복될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유지 단계는, 상기 제2 지그를 상온으로 냉각 시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 지그에는 복수 개의 상기 평면형의 이차 전지들이 위치할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 지그에는 복수 개의 상기 1차 성형된 이차 전지들이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 커브드 이차 전지의 손상을 감소시키며, 작은 곡률 반경을 가지는 커브드 이차 전지를 제조할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 내용 이외에도, 도면을 참조하여 이하에서 설명할 내용으로부터도 도출될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 과정을 도시한 순서도이다.
도 4는 도 3의 제1 차 성형 단계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3의 제2 차 성형 단계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4의 제1 성형 단계 후의 1차 성형된 이차 전지를 도시한 도이다.
도 7은 도 5의 제2 성형 단계 후의 2차 성형된 이차 전지를 도시한 도이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 과정을 도시한 순서도이다.
도 4는 도 3의 제1 차 성형 단계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3의 제2 차 성형 단계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4의 제1 성형 단계 후의 1차 성형된 이차 전지를 도시한 도이다.
도 7은 도 5의 제2 성형 단계 후의 2차 성형된 이차 전지를 도시한 도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시 예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이차 전지(100)는 전극 조립체(110) 및 전극 조립체(110)를 밀봉하는 파우치(120)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(110)는, 예를 들어, 양극 활물질이 도포된 양극판(112)과 음극 활물질이 도포된 음극판(114) 및 양극판(112)과 음극판(114) 사이에 개재된 세퍼레이터(116)를 복수 회 적층하여 제작할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 전극 조립체(110)는 양극판(112)과 세퍼레이터(116) 및 음극판(114)을 적층한 적층체를 젤리 롤 형태로 권취하여 제작할 수도 있다.
양극판(112)은 양극 활물질이 도포된 양극 활물질부와, 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부를 포함할 수 있다. 양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물일 수 있다.
양극 활물질부는 예를 들어, 알루미늄 판의 적어도 어느 한 면의 일부에 양극 활물질을 도포하여 형성하며, 양극 활물질이 미 도포된 알루미늄 판의 나머지 부분이 양극 무지부가 될 수 있다.
음극판(114)은 음극 활물질이 도포된 음극 활물질부와 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부를 포함할 수 있다. 음극 활물질은, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등일 수 있다.
음극 활물질부는 예를 들어, 구리 판의 적어도 어느 한 면의 일부에 음극 활물질을 도포하여 형성하며, 음극 활물질이 미 도포된 구리 판의 나머지 부분이 음극 무지부가 될 수 있다.
세퍼레이터는 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기재에 폴리비닐리덴 플로우라이드-헥사플로로프로필렌 공중합체(PVDF-HFP co-polymer)를 코팅함으로써 제조될 수 있다.
전극 조립체(110)에는 제1 전극 탭(132)과 제2 전극 탭(134)이 부착된다. 구체적으로, 양극 무지부들과 음극 무지부들에는 각각 제1 전극 탭(132)과 제2 전극 탭(134)이 부착되며, 제1 전극 탭(132)과 제2 전극 탭(134)은 파우치(120)를 관통하여 외부로 도출될 수 있다.
파우치(120)는 전극 조립체(110)를 밀봉하며, 내부에 전극 조립체(110)와 함께 전해질을 수용한다. 파우치(120)는, 일 예로, 절연층, 금속층 및 절연층의 3층 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속층은 알루미늄, 스틸, 스텐레스 스틸 등으로 형성될 수 있으며, 절연층은 변성 폴리프로필렌(CPP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 나일론 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
파우치(120)는 용융접합에 의해 형성된 한 쌍의 날개부(122)를 포함할 수 있다. 파우치(120)는 제1 면을 형성하는 수납부와 제2 면을 형성하는 덮개부를 포함할 수 있다. 수납부에는 전극 조립체(110)를 수용할 수 있는 수용공간이 형성되고, 수용공간에 전극 조립체(110)가 수용되면, 수납부와 일측이 연속적으로 형성된 덮개부가 수납부 상으로 접힌 후, 수용공간의 가장자리에서 수납부와 덮개부가 용융 접합된다. 이에 의해, 전극 조립체(110)를 밀봉할 수 있으며, 수납부와 덮개부가 접합된 가장자리는 한 쌍의 날개부(122)를 형성한다. 한 쌍의 날개부(122)는 커브드 이차 전지(100)의 측면과 나란하게 절곡될 수 있다.
커브드 이차 전지(100)는 성형과정을 통하여 일정한 곡률 반경(R)을 가지도록 휘어진 형상을 가진다. 즉, 커브드 이차 전지(100)는 장착되는 전자 기기(미도시)의 형상에 따라, 일정한 곡면을 가질 수 있고, 이에 의해 전자 기기(미도시)와 커브드 이차 전지(100)의 간극이 제거되어, 전자 기기(미도시)의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 커브드 이차 전지(100)가 전자 기기(미도시)의 내부에서 유동함에 따른 커브드 이차 전지(100)의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 커브드 이차 전지(100)의 곡률 반경(R)이 작을 수록, 성형과정에서 커브드 이차 전지(100)에 가해지는 압력이 증가하여야 하다. 이와 같이 압력이 증가하면, 가압되는 커브드 이차 전지(100)에 응력이 집중되는 부위가 형성될 수 있고, 커브드 이차전지(100)에 뒤틀림 등의 변형이 발생될 수 있다. 그러나, 본 발명은 2번의 성형과정을 통해, 최소한의 압력을 인가함으로써, 커브드 이차 전지(100)에 발생하는 응력을 최소화할 수 있으며, 25R 이하의 작은 곡률 반경(R)을 가지는 커브드 이차 전지(100)를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 커브드 이차 전지(100)의 제조 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 과정을 도시한 순서도이고, 도 4는 도 3의 제1 차 성형 단계를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 5는 도 3의 제2 차 성형 단계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이차 전지(100)의 제조 방법은, 평면형의 이차 전지(100A)를 준비하는 단계(S10), 제1 지그(300) 내에 평면형의 이차 전지(100A)를 장착하고, 가압하는 제1 차 성형 단계(S20), 제2 지그(400) 내에 제1 지그(300)에서 분리된 1차 성형된 이차 전지(100B)를 장착하고, 가압하는 제2 차 성형 단계(S30), 유지 단계(S40) 및 초기 충방전 단계(S50)를 포함할 수 있다.
평면형의 이차 전지(100A)를 준비하는 단계(S10)는, 도 1 및 도 2에서 도시하고 설명한 커브드 이차 전지(100)와 동일한 구조를 가지나, 성형과정을 거치지 않은 평평한 상태의 이차 전지(100A)를 제조하는 것을 의미한다. 한편, 평면형의 이차 전지(100A)는 프리차징(pre-charging)이 수행되어, 약 20% 정도 충전된 상태일 수 있다.
제1 차 성형 단계(S20)는, 평면형의 이차 전지(100A)를 제1 지그(300) 내에 장착한 후, 이를 가압하여, 1차 성형된 이차 전지(100B)를 형성하는 단계이다. 제1 차 성형 단계(S20)에서 제1 지그(300)에는 복수 개의 평면형의 이차 전지(100A)들이 위치하여, 복수 개의 평면형의 이차 전지(100A)들은 동시에 성형될 수도 있다.
제1 지그(300)는 서로 분리되는 제1 하부 지그(310)와 제1 상부 지그(320)를 포함한다. 제1 지그(300)는 금속 등과 같은 재질로 형성될 수 있다.
제1 하부 지그(310)와 제1 상부 지그(320) 중 어느 하나는 제1 곡률 반경(R1)을 가지는 제1 볼록부(312)를 포함할 수 있다. 제1 곡률 반경(R1)은 커브드 이차 전지(100)가 가지는 곡률 반경(R)보다 클 수 있다. 또한, 제1 하부 지그(310)와 제1 상부 지그(320) 중 나머지 다른 하나는 제1 볼록부(312)에 대응하는 제1 오목부(322)를 포함할 수 있으며, 제1 오목부(322)는 제1 곡률 반경(R1)보다 큰 곡률 반경을 가질 수 있다.
도 3에서는 제1 하부 지그(310)에 제1 볼록부(312)가 형성되고, 제1 상부 지그(320)에 제1 오목부(322)가 형성된 예를 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 제1 볼록부(312)가 제1 상부 지그(320)에 형성되고, 제1 오목부(322)가 제1 하부 지그(310)에 형성될 수도 있다.
평면형의 이차 전지(100A)가 제1 지그(300) 내에 위치하면, 제1 지그(300)는 평면형의 이차 전지(100A)를 가압한다. 이때, 제1 볼록부(312)와 제1 오목부(322)에는 각각 완충부재(미도시)가 부착될 수 있다. 완충부재(미도시)는 가압되는 평면형의 이차 전지(100A)의 일부분 예를 들어, 모서리 부분에 눌림 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
제1 지그(300)는 1kgF/㎠ 내지 5kgF/㎠의 제1 압력으로, 3초 내지 30초 동안 평면형의 이차 전지(100A)를 가압하여 1차 성형된 이차 전지(100B)를 형성할 수 있다. 이와 같은, 1차 성형된 이차 전지(100B)는 상대적으로 짧은 시간 동안 작은 압력이 가해져 형성되므로, 성형 과정 중 발생하는 변위량이 작아, 응력의 발생이 최소화되고, 형성된 1차 성형된 이차 전지(100B)의 외관에는 주름이 거의 발생하지 않을 수 있다.
한편, 상기 제1 압력은 제1 차 성형 단계(S20)의 초기에 인가되는 제1 초기 압력과, 제1 차 성형 단계(S20)의 종료시에 인가되는 제1 종료 압력이 상이하게 설정될 수 있으며, 제1 지그(300)는 제1 초기 압력이 인가되는 단계, 제1 종료 압력이 인가되는 단계에 따라 평면형의 이차 전지(100A)를 가압할 수 있다. 예를 들어, 제1 지그(300)는 1kgF/㎠ 내지 3kgF/㎠의 제1 초기 압력에서 3kgF/㎠ 내지 5kgF/㎠의 제1 종료 압력으로 제1 압력을 증가시키면서 평면형의 이차 전지(100A)를 가압할 수 있다.
상기 제1 초기 압력 및 제1 종료 압력이 인가되는 시간은, 제1 압력이 인가되는 3초 내지 30초의 시간 안에서 분배될 수 있다. 예를 들어, 제1 초기 압력으로 가압하기 시작하여, 초기 일정 시간 동안은 제1 초기 압력에서 제1 종료 압력으로 제1 압력을 증가시킨 다음, 나머지 시간 동안은 제1 종료 압력을 유지할 수 있다.
또한, 제1 차 성형 단계(S20)에서, 제1 지그(300)는 평면형의 이차전지(100A)를 상온에서 가압할 수 있을 뿐 아니라, 열을 가하면서 가압할 수 있다. 예를 들어, 제1 지그(300)는 20℃ 내지 80℃로 평면형의 이차전지(100A)를 가열할 수 있다.
한편, 평면형의 이차전지(100A)는 1차 성형되면서, 굽어진 바깥 방향의 볼록한 외주면과, 굽어진 안쪽의 오목한 내주면을 가지게 되는데, 제1 차 성형 단계(S20)에서, 제1 지그(300)는 볼록한 외주면만을 가열할 수도 있다. 1차 성형시 볼록한 외주면은 제1 오목부(322)와 맞닿는 영역으로 팽창응력을 받고, 반대로 오목한 외주면은 수축응력을 받는다. 따라서, 볼록한 외주면을 가열함으로써, 팽창응력을 감소시킬 수 있으며, 오목한 내주면은 열을 가하지 않음으로써 수축응력이 작용하여, 파우치(120)에 응력이 집중될 수 있는 주름이 발생하는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
가압 후에는, 제1 지그(300)로부터 제1 곡률 반경(R1)을 가지는 1차 성형된 이차 전지(100B)를 분리한다.
제2 차 성형 단계(S30)는, 1차 성형된 이차 전지(100B)를 제2 지그(400) 내에 위치시킨 후, 이를 가압하는 단계이다. 제2 차 성형 단계(S30)에서 제1 지그(400)에는 복수 개의 1차 성형된 이차 전지(100B)들이 위치하여, 복수 개의 1차 성형된 이차 전지(100B)들은 동시에 성형될 수 있다.
제2 지그(400)는 서로 분리되는 제2 하부 지그(410)와 제2 상부 지그(420)를 포함한다. 제2 지그(400)는 금속 등과 같은 재질로 형성될 수 있다. 또한, 제2 지그(400)는 오븐 내에 위치할 수 있다.
제2 하부 지그(410)와 제2 상부 지그(420) 중 어느 하나는 커브드 이차 전지(100)가 가지는 곡률 반경(R) 보다 작은 제2 곡률 반경(R2)을 가지는 제2 볼록부(412)를 포함할 수 있다. 제2 곡률 반경(R2)은 후술하는 바와 같이 초기 충방전 단계(S50)에서 2차 성형된 이차 전지의 곡률이 일부 회복되는 정도를 고려하여 설정될 수 있다.
제2 하부 지그(410)와 제2 상부 지그(420) 중 나머지 다른 하나는 제2 볼록부(412)에 대응하는 제2 오목부(422)를 포함할 수 있다. 제2 오목부(422)는 제2 볼록부(412)의 제2 곡률 반경(R2)보다 큰 곡률 반경을 가질 수 있다.
제1 곡률 반경(R1)을 가지는 1차 성형된 이차 전지(100B)가 제2 지그(400)에 장착되면, 제2 지그(400)는 이를 가압한다. 이때, 제2 볼록부(412)와 제2 오목부(422)에는 각각 완충부재(미도시)가 부착될 수 있다.
제2 지그(400)는 3.5kgF/㎠ 내지 8kgF/㎠의 제2 압력으로, 1시간 내지 4시간 동안 1차 성형된 이차 전지(100B)를 가압할 수 있다.
또한, 상기 제2 압력은 제2 차 성형 단계(S30)의 초기에 인가되는 제2 초기 압력과 제2 차 성형 단계(S30)의 종료시에 인가되는 제2 종료 압력이 상이하게 설정될 수 있으며, 제2 지그(400)는 제2 초기 압력이 인가되는 단계, 제2 종료 압력이 인가되는 단계에 따라 1차 성형된 이차 전지(100B)를 가압할 수 있다. 예를 들어, 제2 지그(400)는 3.5kgF/㎠ 내지 6kgF/㎠의 제2 초기 압력에서 6kgF/㎠ 내지 8kgF/㎠의 제2 종료 압력으로 제2 압력을 증가시키면서 1차 성형된 이차 전지(100B)를 가압할 수 있다.
한편, 상기 제2 초기 압력 및 제2 종료 압력이 인가되는 시간은, 제2 압력이 인가되는 시간 안에서 분배될 수 있다. 예를 들어, 제2 초기 압력으로 가압하기 시작하여, 처음 10분 내지 30분 동안 제2 종료 압력으로 순차적 또는 지속적으로 제2 압력을 증가시킨 다음, 나머지 시간 동안은 제2 종료 압력을 유지할 수 있다.
또한, 제2 차 성형 단계(S30)에서, 제2 지그(400)는 전체적으로 1차 성형된 이차 전지(100B)를 가열한다. 제2 지그(400)는 오븐 내에 위치하고, 제2 지그(400)는 금속 등과 같이 열전도율이 우수한 재질로 형성되므로, 오븐은 제2 지그(400)를 가열하게 되고, 제2 지그(400)는 1차 성형된 이차 전지(100B)를 가열하게 된다. 이때, 오븐의 온도는 50℃ 내지 75℃일 수 있다.
제2 성형 단계(S30) 후에, 2차 성형된 이차 전지는 커브드 이차 전지(100)가 가지는 곡률 반경(R) 보다 작은 제2 곡률 반경(R2)을 가질 수 있다.
이와 같이, 제2 성형 단계(S30)에서, 2차 성형된 이차 전지는 제1 곡률 반경(R1)을 가진 상태에서 제2 곡률 반경(R2)을 가지도록 형성 되므로, 한 번에 평평한 상태에서 제2 곡률 반경(R2)을 가지도록 형성되는 것에 비해 변형 정도가 작고 이에 따라, 발생하는 응력이 상대적으로 감소하므로, 커브드 이차 전지(100)의 손상을 감소시킬 수 있으며, 작은 곡률 반경을 가지는 커브드 이차 전지(100)를 제조할 수 있다.
유지 단계(S40)는, 제2 지그(400)에 2차 성형된 이차 전지를 장착한 상태에서, 제2 지그(400)를 상온으로 냉각시킴으로써, 2차 성형된 이차 전지를 안정화시키는 단계이다.
초기 충방전 단계(S50)는, 제2 지그(400)로부터 2차 성형된 이차 전지를 분리하고, 초기 충방전을 수행 하는 단계이다. 초기 충방전 시에는 양극판(112) 및 음극판(114)의 수축/팽창으로 인해 2차 성형된 이차 전지의 곡률이 일부 완화되어, 커브드 이차 전지(100)는 최종적으로 곡률 반경(R)을 가지고 형성될 수 있다. 따라서, 제2 곡률 반경(R2)은 초기 충방전 단계(S50)에서 2차 성형된 이차 전지의 곡률이 일부 회복되는 정도를 고려하여 설정될 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 아래 실시예는 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위한 것이며, 어떠한 경우라도 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.
1. 평면형의 2차 전지의 준비
평균 입경 5㎛의 LiCoO2분말(Umicore사 제조) 85중량부 및 평균 입경 7.5㎛의 활성탄 분말(Kuraray 사 제조) 5중량부가 혼합된 혼합 분말 90중량부, 도전재로서 카본 블랙 4중량부, 및 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드 6중량부를 N-메틸피롤리돈 용매 중에 분산시켜 양극 활물질 조성물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 활물질 조성물 슬러리를 닥터 블레이드((doctor blade) (갭: 170mm))를 사용하여 알루미늄 전극판 상에 약 145㎛ 의 두께로 도포하고, 진공 중 100℃의 조건에서 5.5시간 열처리하고 건조하였다. 이후, 상기 양극 활물질 조성물 슬러리가 도포된 알루미늄 전극판을 롤 프레스로 압연하여 양극 활물질층이 형성된 양극판(112)을 제조하였다.
소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소)(GS 칼텍스사 제조) 92중량부, 도전재로서 카본 블랙 5중량부 증점제로서 카르복시메틸셀룰오로스 1중량부, 및 바인더로서 스티렌-부타디엔 러버 2중량부를 수(水)용매 중에 분산시킨 후 혼합하여 음극 활물질 조성물 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 조성물 슬러리를 닥터 블레이드(갭: 160mm)를 사용하여 구리 전극판 상에 약 140㎛ 두께로 도포하고 145℃의 진공오븐에서 6.5시간 열처리하고 건조하였다. 이후, 상기 음극 활물질 조성물 슬러리가 도포된 구리 전극판을 롤 프레스로 압연하여 음극 활물질층이 형성된 음극판(114)을 제조하였다.
세퍼레이터(116)로는 폴리에틸렌을 사용하여 전극 조립체(110)를 제조한 후, 파우치(120)에 의해 밀봉하고, 파우치(120) 내부에 1.13M LiPF6가 EC(에틸렌 카보네이트)+DMC(디메틸렌 카보네이트)+DEC(디에틸렌 카보네이트)(3:5:2 부피비)에 녹아있는 전해액을 주입하여 평판형의 이차 전지(100A)를 제조하였다.
2. 제1 성형 단계
제1 지그(300) 내에 평면형의 2차 전지(100A)를 장착한 후, 20초간 가압하였다. 이때, 제1 지그(300)는 최초 10초간은 압력을 2kgF/㎠ 에서 3kgF/㎠로 증가시킨 후, 나머지 10초 간은 압력을 3kgF/㎠ 로 유지하였다. 제1 성형 단계를 거친 1차 성형된 이차 전지(100B)는 40R의 곡률 반경을 가졌다.
한편, 도 6은 도 4의 제1 성형 단계 후의 1차 성형된 이차 전지(100B)를 도시한 도이다. 도 6을 참조하면, 제1 성형 단계를 거친 1차 성형된 이차 전지(100B)는 파우치(120)에 주름이 거의 발생되지 않음을 알 수 있다.
3. 제2 성형 단계, 유지 단계 및 초기
충방전
단계
70℃로 설정된 오븐 내에 위치한 제2 지그(400) 내에 1차 성형된 2차 전지(100B)를 장착한 후, 2시간 동안 가압하였다. 이때, 제2 지그(400)는 처음 20분 동안 압력을 3.5kgF/㎠ 에서 8kgF/㎠로 연속적으로 증가시킨 후, 나머지 시간 동안은 8kgF/㎠ 로 유지하였다.
한편, 도 7은 도 4의 제2 성형 단계 후의 2차 성형된 이차 전지를 도시한 도이다. 제2 성형 단계를 거친 2차 성형된 이차 전지는 22R의 곡률 반경(확인 부탁 드립니다)을 가지고 형성되었다.
그 후, 제2 지그(400)에 2차 성형된 이차 전지를 장착한 상태에서, 제2 지그(400)를 상온으로 냉각시킨 다음, 제2 지그(400)에서 2차 성형된 이차 전지를 분리하고, 초기 충방전을 실시하였다. 초기 충방전 시 2차 성형된 이차 전지는 곡률의 일부가 완화 되어, 최종적으로 25R의 곡률 반경을 가지는 커브드 이차 전지(100)가 형성되었다.
이와 같이, 커브드 이차 전지(100)는 두 번의 성형 과정을 거침으로써, 상대적으로 작은 압력을 인가하여 형성할 수 있으므로, 커브드 이차 전지(100)에 발생하는 응력이 작아, 커브드 이차 전지(100)의 손상을 감소시킬 수 있으며, 작은 곡률 반경을 가지는 커브드 이차 전지(100)를 제조할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 커브드 이차 전지
100A: 평면형의 이차 전지
100B: 1차 성형된 이차 전지
110: 전극 조립체
120: 파우치
300: 제1 지그
310: 제1 하부 지그
320: 제1 상부 지그
400: 제2 지그
410: 제1 하부 지그
420: 제2 상부 지그
100A: 평면형의 이차 전지
100B: 1차 성형된 이차 전지
110: 전극 조립체
120: 파우치
300: 제1 지그
310: 제1 하부 지그
320: 제1 상부 지그
400: 제2 지그
410: 제1 하부 지그
420: 제2 상부 지그
Claims (18)
- 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 밀봉하는 파우치를 포함하는 평면형의 이차 전지를 준비하는 단계;
상기 평면형의 이차 전지가 제1 곡률 반경을 가지도록, 제1 지그 내에 상기 평면형의 이차 전지를 위치시키고, 가압하는 제1 차 성형 단계;
1차 성형된 이차 전지가 제1 곡률 반경 보다 작은 제2 곡률 반경을 가지도록, 제1 지그와 다른 제2 지그 내에 상기 1차 성형된 이차 전지를 위치시키고, 가압하는 제2 차 성형 단계; 및
상기 제2 지그 내에 상기 2차 성형된 이차 전지가 장착된 상태로 소정시간 유지하는 유지 단계;를 포함하며,
상기 제1 차 성형 단계에서, 상기 제1 지그는 1kgF/㎠ 내지 5kgF/㎠의 제1 압력으로, 상기 평면형의 이차 전지를 가압하며,
상기 제2 차 성형 단계에서, 상기 제2 지그는 3.5kgF/㎠ 내지 8kgF/㎠의 제2 압력으로, 상기 1차 성형된 이차 전지를 가압하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 지그는 서로 분리되는 제1 상부 지그와 제1 하부 지그를 포함하고,
상기 제1 상부 지그와 상기 제1 하부 지그 중 어느 하나는 상기 제1 곡률 반경을 가지는 제1 볼록부를 포함하고,
상기 제1 상부 지그와 상기 제1 하부 지그 중 다른 하나는 상기 제1 볼록부에 대응하는 제1 오목부를 포함하며, 상기 제1 오목부는 상기 제1 곡률 반경보다 큰 곡률 반경을 가지는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 차 성형 단계에서, 상기 제1 지그는 상기 평면형의 이차 전지를 가열하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 제1 지그는 20℃ 내지 80℃로 상기 평면형의 이차 전지를 가열하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 제1 볼록부와 상기 제1 오목부에는 각각 완충부재가 부착된 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 차 성형 단계에서, 상기 제1 지그는 상기 제1 압력으로, 3초 내지 30초 동안 상기 평면형의 이차 전지를 가압하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1 지그는 1kgF/㎠ 내지 3kgF/㎠의 제1 초기 압력에서 3kgF/㎠ 내지 5kgF/㎠의 제1 종료 압력으로 상기 제1 압력을 증가시키는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 지그는 오븐 내에 위치하고, 서로 분리되는 제2 상부 지그와 제2 하부 지그를 포함하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 제2 지그는 금속으로 형성되고, 상기 오븐은 50℃ 내지 75℃로 상기 제2 지그를 가열하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제2 차 성형 단계에서, 상기 제2 지그는 상기 제2 압력으로, 1시간 내지 4시간 동안 상기 1차 성형된 이차 전지를 가압하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제2 지그는 3.5kgF/㎠ 내지 6kgF/㎠의 제2 초기 압력에서 6kgF/㎠ 내지 8kgF/㎠의 제2 종료 압력으로 상기 제2 압력을 증가시킨 후, 상기 제2 종료 압력을 소정시간 유지하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 제2 상부 지그와 상기 제2 하부 지그 중 어느 하나는 상기 제2 곡률 반경을 가지는 제2 볼록부를 포함하고,
상기 제2 상부 지그와 상기 제2 하부 지그 중 다른 하나는 상기 제2 볼록부에 대응하는 제2 오목부를 포함하며, 상기 제2 오목부는 상기 제2 곡률 반경보다 큰 곡률 반경을 가지고,
상기 제2 볼록부와 상기 제2 오목부에는 각각 완충부재가 부착된 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 2차 성형된 이차 전지의 초기 충방전을 수행하는 초기 충방전 단계를 더 포함하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제14항에 있어서,
상기 초기 충방전 단계에서 상기 제2 곡률 반경의 일부가 회복되는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 유지 단계는, 상기 제2 지그를 상온으로 냉각시키는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 지그에는 복수 개의 상기 평면형의 이차 전지들이 위치하는 커브드 이차 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 지그에는 복수 개의 상기 1차 성형된 이차 전지들이 위치하는 커브드 이차 전지의 제조 방법.
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