KR20170025080A - 두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형의 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서, (a) 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고, 제 1 전해액을 주입한 상태에서, 전지셀의 활성화를 위한 충방전을 수행하는 과정; (b) 가스 포켓을 천공하여 전지셀 활성화에서 발생한 가스를 제거하는 과정; (c) 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거치지 않은 제 2 전해액을 수납부에 주액하는 과정; 및 (d) 전지케이스를 밀봉하는 과정을 제공한다.

Description

두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법 {Method for Preparing Battery Cell Containing Different Types of Electrolytes}

본 발명은 두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.

이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다. 일반적으로, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.

이 중, 전지의 고용량화로 인해 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공이 많은 관심을 모으고 있고, 이에 따라, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

도 1에는 종래의 파우치형 전지가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(40, 41)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일체로서 연결되어 있는 커버(22)로 이루어져 있다.

전지케이스(20)는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 최외각을 이루는 외측 수지층(20A), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20B), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20C)으로 구성되어 있다.

스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 각각 융착되어 전극리드(40, 41)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(21)의 상단부(24)와 커버(22)의 상단부가 열융착기에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극리드(40, 41) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극리드(40, 41)와 전지케이스(20)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(40, 41)의 상하면에 절연필름(50)이 부착된다.

이러한 이차전지의 제조 과정에서 충방전에 의해 전지를 활성화시키는 공정을 수행하고 활성화 공정에서 발생하는 가스를 제거하여야 하며, 이를 탈기(degas) 공정이라고 한다. 활성화 공정에서 발생하는 가스들과 잉여 전해액들이 제거되지 못하면 열융착에 의한 실링 과정에서 불량이 다수 발생하는 문제점이 발생한다.

한편, 전지셀들은 탈기 공정 이후에는 전해액의 양이 감소되어 이차전지의 성능이 저하된다. 이를 방지하기 위해 종래의 전해액을 추가로 주액하기 위해 보충 튜브를 장착하거나 탈기 공정 및 리실링 공정을 반복 수행하는 과정들은 복잡하고 효율이 낮다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 이차전지의 제조 과정에서 탈기 공정 후에 전해액이 감소하고, 전지 성능이 저하되는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제 2 전해액을 내장하고 있는 전해액 저장부가 전극조립체 수납부에 물리적으로 분리된 상태로, 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거치지 않은 제 2 전해액을 전극조립체 수납부에 주액하는 전지셀의 제조 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법은,

양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형의 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,

(a) 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고, 제 1 전해액을 주입한 상태에서, 전지셀의 활성화를 위한 충방전을 수행하는 과정;

(b) 가스 포켓을 천공하여 전지셀 활성화에서 발생한 가스를 제거하는 과정;

(c) 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거치지 않은 제 2 전해액을 수납부에 주액하는 과정; 및

(d) 전지케이스를 밀봉하는 과정;

을 포함하고 있다.

즉, 본 발명에 따른 두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법은, 활성화 공정에서 발생하는 가스를 제거하고 감소된 전해액에 대해 충방전 과정을 거치지 않은 전해액을 보충하여 전지셀의 안전성 및 제조 공정에서의 효율성을 향상시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 파우치형의 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.

상기 과정(a)는, 전극조립체와 제 1 전해액이 내장되어 있는 수납부에 연통하는 위치에 가스 포켓을 형성하도록 전지케이스의 외주 부위를 밀봉한 상태에서, 충방전을 수행할 수 있다.

상기 과정(a)에서, 제 2 전해액을 내장하고 있는 전해액 저장부가, 수납부에 물리적으로 분리된 상태로, 전지케이스 내에 구비되어 있을 수 있다.

이 경우에, 상기 전해액 저장부의 제 2 전해액은 충방전에 관여하지 않은 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 전해액 저장부는 가스 포켓에 대향하는 수납부의 타측 단부 상에 위치할 수 있다.

상기 전해액 저장부는 수납부와의 사이가 착탈식 밀폐 부재에 의해 물리적으로 분리되어 있는 구조일 수 있다.

다른 경우에, 상기 전해액 저장부는 가스 포켓 상에 위치할 수 있다.

이와 같은 경우에, 상기 전해액 저장부는 가스 포켓의 나머지 부위와의 사이가 착탈식 밀폐 부재에 의해 물리적으로 분리되어 있고, 수납부와의 사이가 전지케이스의 열융착 밀봉에 의해 분리되어 있는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 착탈식 밀폐 부재는 전지케이스를 외면으로부터 가압하여 물리적으로 분리하는 클립일 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 과정(b) 또는 과정(c) 이후에, 가스 포켓과 수납부 사이를 열융착에 의해 밀봉한 후 가스 포켓을 제거하는 공정을 포함할 수 있다.

경우에 따라, 상기 과정(c) 이전에, 전해액 저장부가 지면에 대해 수납부보다 상부에 있도록 위치 조절하는 공정을 포함할 수 있다.

다른 경우에, 상기 위치 조절한 상태에서 착탈식 밀폐 부재를 제거할 때, 중력에 의해 제 2 전해액이 수납부 내로 이동할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(d)는 전해액 저장부를 제거하는 공정을 포함할 수 있다.

본 방명에 따른 방법으로 제조되며, 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거친 제 1 전해액과 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거치지 않은 제 2 전해액을 동시에 포함할 수 있다.

이 경우에, 상기 제 1 전해액과 제 2 전해액은 종류가 다른 것일 수 있다.

다른 경우에, 상기 제 1 전해액과 제 2 전해액은 종류가 동일한 것일 수 있다.

본 발명은 상기 전지셀을 포함하는 전지팩을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.

이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법은, 활성화 공정에서 발생하는 가스를 제거하고 감소된 전해액을 용이하게 보충할 수 있는 효과를 제공한다.

따라서, 전해액 공급 튜브와 같은 부가 부재를 장착하여 전해액을 공급하는 경우에 비해 정교함을 요구하는 구조적 복잡함이 없이 충방전 과정을 거치지 않은 전해액을 보충할 수 있는 구조적 특징 및 방법에 의해 전지셀의 안전성을 향상시키고 제조 공정에서의 효율성을 개선할 수 있다.

도 1은 종래의 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법의 흐름도이다;
도 3은 도 2의 본 발명의 전지셀 제조 방법에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 4는 도 3으로부터 제조되는 전지셀의 모식도이다;
도 5는 도 2의 본 발명의 전지셀 제조 방법에 따른 다른 전지셀의 모식도이다;
도 6은 도 5로부터 제조되는 전지셀의 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 두 종류의 전해액들을 포함하고 있는 전지셀의 제조 방법의 흐름도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전지케이스는 전지케이스의 수납부와 전해액 저장부가 형성되고 배기를 위한 가스 포켓부를 가지는 크기로 절단된다. (a) 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고, 제 1 전해액을 주입한 상태에서, 전지셀의 활성화를 위한 충방전을 수행한다(S110). 전지케이스 수납부에 제 1 전해액을 주입하면서 전해액 저장부에 제 2 전해액을 주입한다. 제 1 전해액을 주입한 후 제 2 전해액을 주입할 수 있다. (b) 가스 포켓을 천공하여 전지셀 활성화에서 발생한 가스를 제거한다(S120). 가스를 제거하면 가스 포켓과 수납부 사이를 열융착에 의해 밀봉한 후 가스 포켓을 제거한다. 가스 포켓을 제거하면 활성화 과정을 거치지 않고 착탈식 밀폐 부재에 의해 분리되어 있는 제 2 전해액을 저장하고 있는 전해액 저장부가 지면에 대해 수납부보다 상부에 위치하도록 절곡하여 위치를 조절한다. 착탈식 밀폐 부재를 제거할 때, 중력에 의해 제 2 전해액이 수납부 내로 이동한다. (c) 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거치지 않은 제 2 전해액을 수납부에 주액한다(S130). (d) 제 1 전해액과 제 2 전해액이 더해진 상태에서 전지케이스를 밀봉한다(S140). 제 2 전해액 공급이 완료되면 전지케이스 수납부를 제외한 전해액 저장부를 제거한다.

도 3에는 도 2의 본 발명의 전지셀 제조 방법에 따른 전지셀의 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3으로부터 제조되는 전지셀의 모식도가 도시되어 있다.

도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 전지셀(100)은 전극조립체를 장착하여 제 1 전해액을 주입하는 전지케이스 수납부(110), 제 2 전해액을 수납하고 있는 전해액 저장부(120), 전지셀 활성화에서 발생한 가스를 제거하는 가스 포켓(130), 및 전지케이스 수납부(110)와 전해액 저장부(120)를 물리적으로 분리하는 밀폐 부재(140)를 포함하고 있다.

전극조립체와 제 1 전해액이 내장되어 있는 수납부(110)는 측부에 가스를 제거하기 위한 가스 포켓(130)이 형성되어 있고, 대향측에 제 2 전해액을 내장하고 있는 전해액 저장부(120)가 전지케이스(101) 내에 구비되어 있다.

전지케이스(101)의 수납부(110) 외주와 전지케이스(101)의 외주에는 열융착 밀봉에 의해 밀봉되는 실링부들(104, 105)이 위치하고 있다. 가스 포켓(130)은 전극조립체와 제 1 전해액이 내장되어 있는 수납부(110)에 연통하는 위치에 구멍(131)을 천공하여 형성되어 있다.

전해액 저장부(120)는 전지케이스의 수납부(110)와의 사이가 전지케이스(101)의 열융착 밀봉에 의해 실링부들(105)에 의해 분리되어 있고, 밀폐 부재(140)는 전지케이스(101)를 외면으로부터 가압하여 물리적으로 분리하여 전해액들이 이동하지 않는다.

가스 포켓(130)과 밀폐 부재(140)를 제거하고 실링부들(105)의 밀봉을 개방하면 제 2 전해액이 일점 쇄선으로 도시되어 있는 화살표 방향으로 이동한다. 제 2 전해액이 전지케이스(101)의 수납부(110)로 이동한 후 전해액 저장부(120)를 제거하여 전지셀(100)을 제조한다.

도 5에는 도 2의 본 발명의 전지셀 제조 방법에 따른 전지셀의 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5으로부터 제조되는 다른 전지셀의 모식도가 도시되어 있다.

도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 전극조립체와 제 1 전해액이 내장되어 있는 전지케이스(201)의 수납부(210)의 측부에 가스를 제거하기 위한 가스 포켓(230)이 형성되어 있다.

가스 포켓(230)이 형성되어 있는 전지케이스의 수납부(210)의 측부에 제 2 전해액을 내장하고 있는 전해액 저장부(220)가 구비되어 있다. 전해액 저장부(220)는 가스 포켓(230)의 나머지 부위와의 사이가 착탈식 밀폐 부재(240)에 의해 물리적으로 분리되어 있고, 수납부(210)가 열융착 밀봉에 의해 분리되어 있다.

전지케이스(201) 외주부 및 전지케이스(201)의 수납부(210)와 전해액 저장부(220) 사이는 열융착 밀봉에 의해 밀봉되는 실링부들(204, 205)이 위치하고 있다.

전지셀(200)은 전해액 저장부(220)와 가스 포켓(230)이 전지케이스 수납부(210)의 동일한 측면에 위치한다는 구조가 다르다는 점을 제외하면 구조가 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형의 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
   (a) 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고, 제 1 전해액을 주입한 상태에서, 전지셀의 활성화를 위한 충방전을 수행하는 과정;
   (b) 가스 포켓을 천공하여 전지셀 활성화에서 발생한 가스를 제거하는 과정;
   (c) 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거치지 않은 제 2 전해액을 수납부에 주액하는 과정; 및
   (d) 전지케이스를 밀봉하는 과정;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치형의 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(a)는, 전극조립체와 제 1 전해액이 내장되어 있는 수납부에 연통하는 위치에 가스 포켓을 형성하도록 전지케이스의 외주 부위를 밀봉한 상태에서, 충방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 과정(a)에서, 제 2 전해액을 내장하고 있는 전해액 저장부가, 수납부에 물리적으로 분리된 상태로, 전지케이스 내에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 전해액 저장부의 제 2 전해액은 충방전에 관여하지 않는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 전해액 저장부는 가스 포켓에 대향하는 수납부의 타측 단부 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 전해액 저장부는 수납부와의 사이가 착탈식 밀폐 부재에 의해 물리적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 전해액 저장부는 가스 포켓 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 전해액 저장부는 가스 포켓의 나머지 부위와의 사이가 착탈식 밀폐 부재에 의해 물리적으로 분리되어 있고, 수납부와의 사이가 전지케이스의 열융착 밀봉에 의해 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
10. 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 착탈식 밀폐 부재는 전지케이스를 외면으로부터 가압하여 물리적으로 분리하는 클립인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b) 또는 과정(c) 이후에, 가스 포켓과 수납부 사이를 열융착에 의해 밀봉한 후 가스 포켓을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c) 이전에, 전해액 저장부가 지면에 대해 수납부보다 상부에 있도록 위치 조절하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 위치 조절한 상태에서 착탈식 밀폐 부재를 제거할 때, 중력에 의해 제 2 전해액이 수납부 내로 이동하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(d)는 전해액 저장부를 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
15. 제 1 항에 따른 방법으로 제조되며, 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거친 제 1 전해액과 전지셀 활성화를 위한 충방전을 거치지 않은 제 2 전해액을 동시에 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 전해액과 제 2 전해액은 종류가 다른 것을 특징으로 하는 전지셀.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 전해액과 제 2 전해액은 종류가 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
18. 제 15 항에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
19. 제 18 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스.

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