KR20220065707A - 2차 실링을 포함하는 파우치형 전지셀의 제조방법 및 이에 의해 제조된 파우치형 전지셀 - Google Patents
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Abstract
본원발명은, 라미네이션 시트로 이루어진 전지케이스에 전극조립체를 수납하는 단계, 상기 전지케이스의 외주변을 1차 실링하는 단계, 및 상기 1차 실링한 외주변의 적어도 일부를 2차 실링하는 단계를 포함하는 파우치형 전지셀의 제조방법에 대한 것으로서, 상기 1차 실링과 2차 실링을 모두 진행한 부분의 밀봉력이 약하게 형성되기 때문에, 파우치형 전지셀의 벤팅 위치 및 벤팅 시기를 유도할 수 있다.
Description
본원발명은 2차 실링을 포함하는 파우치형 전지셀의 제조방법 및 이에 의해 제조된 파우치형 전지셀에 관한 것이다. 구체적으로, 파우치형 전지셀이 내압 증가에 의해 팽창되는 경우, 상기 파우치형 전지셀이 폭발하기 전에 내부 가스를 배출함으로써 안전성을 확보할 수 있도록 실링 강도를 조절할 수 있는 파우치형 전지셀의 제조방법 및 이에 의해 제조된 파우치형 전지셀에 대한 것이다.
충방전이 가능한 리튬 이차전지는 모바일 기기(mobile device) 또는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 전기자동차의 에너지원으로도 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 외장재의 종류 또는 형태에 따라 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 이차전지, 금속 캔으로 이루어진 원통형 이차전지 또는 각형 이차전지로 분류될 수 있다.
파우치형 이차전지는 다양한 크기로 제작이 가능하고 가벼우며 에너지 밀도가 높기 때문에 고출력 및 고용량의 에너지원이 필요한 전기자동차의 동력으로 각광받고 있다.
리튬 이차전지는 충방전 과정에서 발생하는 열에 의해 전극조립체 및 전기적 연결부재 등의 온도가 증가할 수 있다. 고온이 될 경우, 리튬 이차전지 내의 전해액이 분해되어 가스가 발생하고, 이는 리튬 이차전지를 팽창시킨다. 다수의 전지셀들이 케이스 내에 고정되어 있는 전지팩의 경우, 팽창된 전지셀들은 한정된 케이스 내에서 더욱 가압되고 이로 인해 발화 및 폭발의 위험성이 증가한다. 파우치형 전지셀이 팽창하여 폭발하기 전에, 상기 파우치형 전지셀 내부의 가스를 배출시킬 수 있다면, 상기와 같은 문제를 방지할 수 있다.
파우치형 전지셀은 내부에 접착층이 형성된 라미네이트 시트를 전지케이스로 사용하고, 상기 전지케이스의 외주변을 열융착으로 실링한다. 상기 라미네이트 시트를 가열 및 가압하면 상기 접착층이 용융되어 상부케이스의 실링부와 하부케이스의 실링부가 결합되는데, 이 때 이들의 결합부에 내부 접착층의 수지가 뭉치는 부분이 형성되는 바, 이를 폴리볼(poly ball, polymer ball)이라고 한다.
상기 폴리볼의 크기가 클수록 전지케이스의 밀봉력이 높아지고, 높은 내부 압력에서도 벤팅이 되지 않는다. 큰 압력에서 벤팅이 되거나 폭발되지 않도록, 필요에 따라서 밀봉력을 조절할 수 있는 수단이 필요하다.
특허문헌 1은 라미네이트 필름으로 이루어진 전지케이스를 밀봉할 때, 실링툴의 가열 온도, 프레스압, 및 프레스 시간에 따라 다른 패턴의 실링부를 형성할 수 있음을 설명하고 있다. 또한, 수지 고임부의 단부는 상측 및 하측 중 적어도 하나가 수지 고임부의 방향으로 날카로워진 단면 형상을 구성하며, 이와 같은 경우 파단 강도가 약해짐을 설명하고 있다.
특허문헌 2는 폴리머 리튬 이차전지의 제조방법에 대한 것으로서, 외장 필름의 가장자리부가 열 융착에 의해 밀봉부를 형성하고, 상기 밀봉부 중 적어도 한 곳은 안전밸브로 기능하며, 상기 안전밸브로 기능하는 밀봉 영역의 열 융착 온도는 안전밸브로 기능하지 않는 밀봉 영역의 열 융착 온도에 비해 낮은 것을 개시하고 있다.
특허문헌 2는 전지케이스 외주변의 일부에 밀봉력이 약한 부분을 형성하여 이차전지의 파열을 미연에 방지할 수 있다.
특허문헌 3은 파우치 외장재의 일측에 전지의 내압 상승시 파단될 수 있도록 초음파 융착으로 형성된 파단변을 구비한 리튬 이온 폴리머 전지를 개시하고, 특허문헌 4는 파우치형 전지셀의 외주변에 형성된 복수개의 실링면 중, 하나의 실링면은 실링 강도가 약한 파우치형 이차전지를 개시하며, 실링 강도를 다르게 형성하는 방법으로서, 공정조건을 조절하여 압력, 열 및 온도를 제어하는 방법, 또는 가스 배출 부위를 제외한 다른 실링면에 실링 강도를 강화시킬 수 있는 물질을 부가하는 방법 등을 개시한다.
특허문헌 5는 실링 툴을 이용하여 열과 압력을 가하는 히트 실링을 1차로 수행하고, 2차 실링은 고주파 실링으로 1차 실링된 영역과 일부 영역이 중첩되도록 해당 영역들을 가열하여 융착시키는 방법을 사용하고 있다. 특허문헌 5는 2단계의 실링을 통해서 케이스의 두께를 감소시키고, 전체 실링폭을 감소하고자 하는 점에 특징이 있다.
특허문헌 6은 1차 실링한 파우치형 전지케이스의 외주변 일부를 2차 실링하는 방법을 개시하고 있으며, 1차 실링과 2차 실링 모두 실링툴을 이용한 히트 실링 방법을 사용하고 있다. 다만, 특허문헌 6에서 1차 실링의 바람직한 온도 범위는 180℃ 내외이고, 2차 실링의 바람직한 온도 범위는 실온 범위인 15~20℃이다.
특허문헌 6에서 2차 실링의 온도 범위가 매우 낮은 것은 1차 실링에서 용융된 실링영역을 냉각하여 응고시키기 위한 것이며, 이는 실링의 강도를 높이기 위한 것이다.
이와 같이, 파우치형 전지셀에 있어서, 전지케이스의 벤팅을 유도하기 위한 다양한 방법들을 제시하고 있으나, 실질적으로 실링의 강도를 결정하는 폴리볼의 크기를 줄이기 위한 방법을 명확하게 제시하지는 못하는 실정이다.
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 파우치형 전지셀 실링부의 밀봉 강도를 조절함으로써, 상기 파우치형 전지셀이 원하는 방향으로 벤팅될 수 있도록 유도할 수 있는 파우치형 전지셀의 제조방법 및 이에 의해 제조된 파우치형 전지셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법은, 라미네이션 시트로 이루어진 전지케이스에 전극조립체를 수납하는 단계, 상기 전지케이스의 외주변을 1차 실링하는 단계, 및 상기 1차 실링한 외주변의 적어도 일부를 2차 실링하는 단계를 포함하는 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서, 상기 1차 실링과 상기 2차 실링은 고온의 실링툴로 상부케이스와 하부케이스를 가압하는 과정으로 진행되며, 상기 1차 실링의 실링 온도는 상기 2차 실링의 실링 온도와 동일하거나 높을 수 있다. 바람직하게 상기 1차 실링의 실링 온도는 상기 2차 실링의 실링 온도보다 높을 수 있다.
본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서, 상기 1차 실링 온도와 상기 2차 실링온도는 각각 130℃ 초과 내지 250℃ 이하, 50℃ 이상 내지 200℃ 미만, 바람직하게는 140℃ 이상 내지 220℃ 이하, 75℃ 이상 내지 160℃ 미만, 더욱 바람직하게는 160℃ 이상 내지 200℃ 이하, 100℃ 이상 내지 130℃ 미만일 수 있다.
본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서, 상기 1차 실링은 상기 전지케이스가 밀봉되도록 전지케이스의 모든 외주변을 밀봉하는 과정일 수 있다.
본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서, 상기 2차 실링은 상기 전지케이스의 장축 방향 실링부 중 적어도 일부, 단축 방향 실링부 중 적어도 일부, 및 모서리 중 일부 중 적어도 하나를 실링할 수 있다.
본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서, 상기 2차 실링은 상기 전지케이스의 장축 방향 실링부의 중심을 실링할 수 있다.
본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서, 상기 2차 실링 시간은 상기 1차 실링 시간보다 길 수 있다.
본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서, 상기 2차 실링 시간은 5초 이상일 수 있다.
본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서, 상기 2차 실링의 가압력은 상기 1차 실링의 가압력보다 클 수 있다.
본원발명은, 또한, 상기 파우치형 전지셀의 제조방법에 의해 제조된 파우치형 전지셀을 제공한다.
본원발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 파우치형 전지셀은 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층을 포함하는 라미네이트 시트를 전지케이스로 포함하고, 1차 실링과 2차 실링을 모두 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께는, 1차 실링만 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께의 60 내지 70%일 수 있다.
여기서 상기 폴리볼의 두께는 상기 파우치형 전지셀의 단면을 관측할 때 상기 폴리볼이 형성된 부분 중 가장 두꺼운 부분의 두께를 말한다.
또한, 1차 실링만 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께는 220㎛ 내지 300㎛, 2차 실링까지 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께는 130㎛ 내지 170㎛일 수 있다.
상기 파우치형 전지셀은 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층을 포함하는 라미네이트 시트를 전지케이스로 포함하고, 상기 전지케이스에서 1차 실링과 2차 실링된 실링부는, 전극조립체 수납부와 연결되는 연결부에서 내부 접착층의 두께가 상기 실링부의 외주변에서 내부 접착층의 두께를 기준으로 200% 보다 작을 수 있다.
본원발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 전지케이스에서 1차 실링과 2차 실링된 실링부의 밀봉력은 1차 실링만 한 실링부의 밀봉력 보다 낮을 수 있다.
본원발명은 또한 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합해서도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명은 파우치형 전지셀의 실링부의 일부를 중복 실링함으로써 해당 부분에 대한 밀봉력을 조절할 수 있다. 또한 본원발명은 파우치형 전지셀의 실링부의 일부를 중복 실링함으로써 해당 부분에 형성된 폴리볼의 크기를 작아지게 할 수 있다. 상기 폴리볼의 크기가 작아진 부분은 밀봉력이 저하되는 바, 파우치형 전지셀의 벤팅 위치 및 벤팅 시점을 제어할 수 있다.
이와 같이 파우치형 전지셀이 폭발하기 전에 자가 벤팅을 유도할 수 있으므로, 파우치형 전지셀이 고온 환경에서 발화되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조과정이다.
도 2는 파우치형 전지케이스 일부의 수직 단면도이다.
도 3은 1차 실링이 완료된 전지케이스의 단면 사진이다.
도 4는 2차 실링이 완료된 전지케이스 단면 사진이다.
도 5는 1차 실링(a)과 2차 실링(b)된 폴리볼에 의한 가착영역부의 길이다.
도 6은 1차 실링(a)과 2차 실링(b)된 폴리볼 두께다.
도 7은 샘플 1의 밀봉력 측정 프로파일이다.
도 8은 샘플 2의 밀봉력 측정 프로파일이다.
도 9는 샘플 3의 밀봉력 측정 프로파일이다.
도 2는 파우치형 전지케이스 일부의 수직 단면도이다.
도 3은 1차 실링이 완료된 전지케이스의 단면 사진이다.
도 4는 2차 실링이 완료된 전지케이스 단면 사진이다.
도 5는 1차 실링(a)과 2차 실링(b)된 폴리볼에 의한 가착영역부의 길이다.
도 6은 1차 실링(a)과 2차 실링(b)된 폴리볼 두께다.
도 7은 샘플 1의 밀봉력 측정 프로파일이다.
도 8은 샘플 2의 밀봉력 측정 프로파일이다.
도 9는 샘플 3의 밀봉력 측정 프로파일이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
본원발명은 전지케이스의 외주변을 가열 및 가압하여 실링하는 파우치형 전지셀의 제조방법에 대한 것으로서, 상기 전지케이스의 외주변의 밀봉력을 확보하기 위한 목적과 상기 외주변 중 특정 부분에서 벤팅을 유도하기 위한 목적을 달성하기 위하여, 1차 실링과 2차 실링 과정을 진행한다. 또한 본원발명은 1차 실링과 2차 실링을 통하여 밀봉력 자체를 조절할 수 있다.
통상적으로 파우치형 전지의 실링에 있어서 실링 횟수를 늘리면 밀봉력이 높아지는 것으로 알려져 있다. 본원발명은 상기 폴리볼의 크기를 제어함으로써 밀봉력을 제어할 수 있을 뿐 아니라, 오히려, 2차 실링을 통해서 밀봉력을 낮출 수 있다는 점에 착안하여 본원발명을 도출하게 된 것이다.
즉, 상기 1차 실링을 통해 전지케이스의 모든 외주변에서 밀봉력이 강한 1차 실링부를 형성할 수 있고, 상기 2차 실링을 통해 상기 1차 실링부 중 일부를 변형함으로써, 밀봉력이 약한 2차 실링부를 구비할 수 있다. 본원발명은 또한 2차 실링의 조건을 변경함으로써, 밀봉력을 높이는 구성 또한 도출할 수 있었다.
본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법은, 구체적으로, 라미네이션 시트로 이루어진 전지케이스에 전극조립체를 수납하는 단계, 상기 전지케이스의 외주변을 1차 실링하는 단계, 및 상기 1차 실링한 외주변의 적어도 일부를 2차 실링하는 단계를 포함한다.
상기 라미네이트 시트는 외부 수지층, 공기 및 수분차단성 금속층, 및 열융착성의 내부 접착층이 적층된 층상 구조로 이루어질 수 있고, 상기 외부 수지층과 금속층 사이, 및 상기 금속층과 내부 접착층 사이에 추가로 접착층이 더 포함될 수 있다.
상기 외부 수지층은 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성이 필요하다. 이러한 측면에서 외부 피복층의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 전해액의 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있으며, 알루미늄 합금으로는 예를 들어, 합금번호 8079, 1N30, 8021, 3003, 3004, 3005, 3104, 3105 등을 들 수 있고, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다.
상기 내부 접착층은 열융착성을 가지고, 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 상세하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
도 1은 본원발명에 따른 파우치형 전지셀의 제조과정을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 전지케이스(101)에 전극조립체(110)를 수납한 후, 1차 실링툴(200)로 전지케이스(101)의 외주변 전체를 밀봉하는 1차 실링을 진행하여 1차 실링부(220)를 형성한다. 이후 2차 실링툴(300)을 이용하여 1차 실링부(220) 중 일부를 2차 실링하여 2차 실링부(320)를 형성한다.
상기 1차 실링은 전지케이스의 외부와 내부 간의 물질 이동을 차단할 수 있도록 상기 전지케이스를 밀봉하는 과정인 바, 전지케이스의 모든 외주변을 밀봉하는 과정이다.
파우치형 전지케이스는 전극조립체 수납부가 형성되는 제1케이스, 및 상기 제1케이스의 상부에 결합되는 제2케이스로 구성될 수 있으며, 또는, 제1케이스 및 제2케이스 모두에 전극조립체 수납부가 형성된 형태일 수 있다.
상기 제1케이스와 제2케이스는 서로 분리된 형태일 수 있고, 또는, 어느 일단이 결합된 상태에서 절곡됨으로써 제1케이스와 제2케이스가 밀봉되는 형태일 수 있다.
도 1의 전지케이스는 제1케이스(101)와 제2케이스(102) 각각에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고, 제1케이스(101)와 제2케이스(102)가 결합된 상태에서 절곡되는 형태인 바, 절곡되는 부분에는 실링부가 형성되지 않거나, 다른 외주변 보다 실링부가 좁게 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 1차 실링툴(200)은 사각링 형태로 이루어져서 전지케이스의 모든 외주변을 밀봉할 수 있는 형태이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 1은 1차 실링툴과 2차 실링툴로서 전지케이스 실링부의 상부에 배치되는 것만을 도시하고 있으며, 전지케이스 실링부의 하부로서 상기 1차 실링툴 및 2차 실링툴과 중첩되는 위치에 배치되는 1차 하부실링툴과 2차 하부실링툴은 생략하였다. 상기 1차 하부실링툴과 2차 하부실링툴 각각은 1차 실링툴 및 2차 실링툴 각각과 대응되는 크기 및 형태로 이루어지거나 1차 실링툴 및 2차 실링툴보다 큰 지지체 형태로 이루어질 수 있다.
또한, 1차 실링툴과 1차 하부실링툴은, 전지케이스의 4개의 외주변 실링부 중 어느 하나의 실링부만 밀봉할 수 있도록, 상기 어느 하나의 실링부의 상하에만 배치되는 직선 형태일 수 있다.
상기 1차 실링과 상기 2차 실링은 고온의 실링툴로 상부케이스와 하부케이스를 가압하는 과정으로 진행되며, 상기 1차 실링의 실링 온도는 상기 2차 실링의 실링 온도와 동일하거나 높다.
구체적으로, 상기 1차 실링 온도와 상기 2차 실링온도는 각각 130℃ 초과 내지 250℃ 이하, 50℃ 이상 내지 200℃ 미만, 바람직하게는 140℃ 이상 내지 220℃ 이하, 75℃ 이상 내지 160℃ 미만, 더욱 바람직하게는 160℃ 이상 내지 200℃ 이하, 100℃ 이상 내지 130℃ 미만일 수 있다.
또는, 상기 1차 실링 온도는 160℃ 이상 내지 200℃ 이하이고, 상기 2차 실링 온도는 100℃ 이상 내지 200℃ 이하, 바람직하게는 100℃ 이상 내지 140℃ 이하일 수 있다.
1차 실링 단계는 제1케이스와 제2케이스의 내부 접착층이 용융되어 서로 간에 결합되는 과정인 바, 1차 실링 온도는 상기 접착층의 용융온도와 같거나, 또는 이보다 높은 온도 범위일 수 있다.
이와 같이, 높은 온도에서 전지케이스의 외주변을 실링하는 경우, 제1케이스와 제2케이스가 결합되는 결합면 중 전극조립체 수납부와 연결되는 부분에 내부 접착층을 구성하는 고분자 수지가 뭉쳐진 폴리볼(poly ball)이 형성된다.
상기 폴리볼의 크기가 클수록 전지케이스의 벤팅 압력이 증가하게 된다. 따라서, 본원발명은, 고온의 1차 실링을 통해 전지케이스의 모든 외주변에 강한 결합력을 갖는 실링부를 형성한다.
한편, 본원발명은 파우치형 전지셀의 벤팅 위치와 벤팅 시점을 유도하기 위한 기술로서, 실링부 중 일부에 밀봉력이 약한 부분을 임의로 형성할 수 있다. 반대로 높은 밀봉력이 필요할 경우에도 본원발명에 따른 구성을 통해서 제어가 가능하다.
구체적으로, 이미 실링된 1차 실링부 중 벤팅이 일어나기 원하는 부분에 낮은 온도로 2차 실링을 진행함으로써 밀봉력이 약한 벤팅부를 형성한다.
상기 2차 실링 단계에서 상기 폴리볼의 크기가 줄어들게 되는 바, 2차 실링을 진행한 실링부의 밀봉력이 낮아지게 된다.
일반적으로, 파우치형 전지셀은 단축 방향 실링부 보다 장축 방향 실링부에서 벤팅이 더 잘 발생하는 바, 전지케이스의 네 방향 실링부 중 어느 한 방향 실링부에서 벤팅이 먼저 일어나도록 유도하는 경우에는, 상기 2차 실링은 상기 전지케이스의 장축 방향 실링부 중 적어도 일측 실링부를 추가로 실링하는 과정으로 진행될 수 있다.
상기 벤팅부를 좁게 형성하는 경우, 압력이 더욱 집중되어 빠르게 벤팅이 일어날 수 있다. 또한, 장축 방향 실링부 중 중심부에 전지셀 내부 압력이 집중되는 점을 고려할 때, 전지케이스의 장축 방향 실링부의 중심부에 2차 실링을 진행하는 경우, 가장 빠르게 벤팅이 일어나도록 유도할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 2차 실링 시간은 1차 실링 시간보다 긴 시간 동안 진행될 수 있으며, 상세하게는, 상기 2차 실링 시간은 5초 이상 진행될 수 있고, 더욱 상세하게는 8초 이상 진행될 수 있다. 또한, 상기 1차 실링 시간은 4초 이하로 진행될 수 있고, 상세하게는 3초 이하로 진행될 수 있다.
이와 같이, 1차 실링은 고온으로 가압하기 때문에 가압 시간이 짧더라도 내부 접착층이 녹아서 밀봉성을 확보하기에 충분하다. 반면에, 2차 실링은 낮은 온도로 가압하기 때문에, 폴리볼이 녹아서 넓게 퍼지는 시간을 확보할 필요가 있는 바, 상대적으로 긴 시간 동안 가압할 필요가 있다. 2차 실링을 통해서 가착영영을 형성하는 폴리볼의 일부가 케이스를 따라서 넓게 퍼지나 상대적으로 온도가 낮기 때문에 가착영역은 형성하지 못하고 폴리볼의 두께만 작아짐으로써 밀봉력이 약해지는 것으로 분석된다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 2차 실링의 가압력은 상기 1차 실링의 가압력보다 클 수 있다. 즉, 낮은 온도로 가압하는 2차 실링의 경우, 1차 실링보다 큰 가압력으로 실링함으로써 폴리볼의 크기를 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
본원발명에 따른 1차 실링 및 2차 실링에 따른 실링부의 변화를 설명하기 위하여, 도 2는 파우치형 전지케이스 일부의 수직 단면도를 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 파우치형 전지케이스는 제1케이스(101)와 제2케이스(102)로 구성되고, 외부 수지층(101a, 102a), 금속층(101b, 102b), 및 내부 접착층(101c, 102c)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진 라미네이트 시트를 성형하여 제조된 것이다.
(a)는 파우치형 전지케이스를 실링하기 전 상태이고, (b)는 1차 실링한 상태이며, (c)는 2차 실링한 상태이다. 상기 (c)는 2차 실링을 통해서 밀봉력을 낮춘 경우를 나타낸다.
구체적으로, (b)에 도시된 1차 실링부(220)에서, 제1케이스(101)의 내부 접착층(101c)과 제2케이스(102)의 내부 접착층(102c)이 용융되어 결합되면서 일체화된다. 또한 내부 접착층들(101c, 102c)은 1차 실링툴에 의해 가압되기 때문에, 내부 접착층들(101c, 102c)의 두께의 합은 (a)보다 (b)에서 얇아진다.
즉, 1차 실링부(220)에 있는 내부 접착층들은 1차 실링툴에 의해 눌리면서 전극조립체 수납부(105) 방향으로 밀려나면서 폴리볼(108)을 형성하게 된다.
또한, 2차 실링은 낮은 온도로 1차 실링부(220)를 가압하여 2차 실링부(320)를 형성하는 과정인 바, 2차 실링부(320)에서는 폴리볼(108)의 크기가 현저히 줄어들게 된다.
따라서, 2차 실링부(320)에서의 밀봉력도 약해지게 된다.
이는, 2차 실링툴의 온도에 의해 내부 접착층과 폴리볼이 가열된 상태에서 가압력이 작용하기 때문에 폴리볼이 넓게 퍼지는 결과로 나타나는 현상으로 보인다.
상기와 같은 파우치형 제조방법에 의해 제조된 파우치형 전지셀은 1차 실링만 진행한 1차 실링부와 1차 실링과 2차 실링을 모두 진행한 2차 실링부를 포함하는 바, 상기 2차 실링부는, 전극조립체 수납부와 연결되는 연결부에서 내부 접착층의 두께가 상기 실링부의 외주변에서 내부 접착층의 두께를 기준으로 200% 보다 작을 수 있다.
또한, 상기 2차 실링부의 실링강도는 상기 1차 실링부의 실링강도 보다 낮기 때문에, 파우치형 전지셀의 내압 증가시 상기 2차 실링부에서 먼저 벤팅이 이루어질 수 있다.
이하에서는, 본원발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본원발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<비교예>
내부 접착층으로서 열융착성 수지의 일종인 변성 폴리올레핀층, 금속층으로 알루미늄층 및 외부 수지층으로서 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함하는 라미네이트 시트로 제조된 전지케이스 3 세트를 준비하고, 각각을 샘플1, 샘플2 및 샘플3으로 한다. 상기 샘플1 전지케이스의 상부케이스의 외주변과 하부케이스의 외주변이 대면하도록 배치한 상태에서 상기 상부케이스와 하부케이스의 두께 합은 137 ㎛이다.
상기 샘플1 전지케이스의 상부케이스 외주변과 하부케이스 외주변을 밀봉하기 위하여, 실링 온도를 185 ℃로 하고, 0.03 ㎏f/㎠의 가압력을 3초 동안 인가하여 1차 실링을 진행하였다.
상기 샘플1 전지케이스의 1차 실링이 완료된 사진을 도 3에 도시하였다. 도 3을 참조하면, 폴리볼의 높이가 248.74㎛로 측정된다.
샘플 1, 2, 3와 동일한 조건으로 다수의 전지케이스에 대해서 가착영역부의 길이 및 폴리볼 두께의 변화를 관측하였다. 도 5는 1차 실링(a)과 2차 실링(b)된 폴리볼에 의한 가착영역부의 길이며, 도 6은 1차 실링(a)과 2차 실링(b)된 폴리볼 두께다.
도 3 내지 도 6을 참조하면 1차 및 2차 실링을 진행하여도 가착영역부의 길이는 크게 변동이 없는 것으로 관측이 되었다. 다만, 1차 및 2차 실링을 진행할 경우, 폴리볼의 두께에 변동이 생기며, 이를 통해서 밀봉력의 차이가 생기는 것으로 관측된다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 1차 실링만 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께는 220㎛ 내지 290㎛, 2차 실링까지 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께는 150㎛ 내지 170㎛이다.
상기 샘플2와 샘플3도 상기 샘플1의 1차 실링과 동일한 조건으로 1차 실링을 진행하였다.
상기 샘플1의 밀봉력을 3번 측정한 밀봉력 프로파일을 도 7에 실선으로 도시하였고, 상기 샘플2의 밀봉력을 2번 측정한 밀봉력 프로파일을 도 8에 실선으로 도시하였으며, 상기 샘플3의 밀봉력을 2번 측정한 밀봉력 프로파일을 도 9에 실선으로 도시하였다.
하기 표 1에는 각 샘플들의 밀봉력 프로파일의 피크값들의 평균값을 기재하였다. 표 1에서 비교예는 상기 샘플1, 샘플2, 샘플3에 대해서 1차 실링만은 진행한 경우를 말한다.
<실시예 1>
상기 비교예의 샘플1을 준비하고, 2차 실링으로서, 1차 실링한 외주변의 일부에 대해 실링 온도를 130℃로 하고, 40 ㎏f/㎠의 힘을 8초 동안 인가하였다.
상기 샘플1의 2차 실링이 완료된 전지케이스의 사진을 도 4에 도시하였다.
도 4를 참조하면, 폴리볼의 높이가 134.96㎛로 측정된다. 따라서, 2차 실링도 진행한 경우에 폴리볼의 크기는, 1차 실링만 진행했을 때의 폴리볼의 크기보다 약 45% 줄어든 것을 확인할 수 있다.
샘플1의 2차 실링 후 밀봉력을 3회 측정한 밀봉력 프로파일을 도 7에 점선으로 도시하였고, 하기 표 1에는 3회 측정한 밀봉력 프로파일의 피크값들의 평균값을 기재하였다.
<실시예 2>
상기 비교예의 샘플2를 준비하고, 2차 실링으로서, 실링 온도를 185℃로 하고, 압력 없이 3초 동안 실링하였다.
상기 샘플2의 2차 실링 후 밀봉력을 2회 측정한 밀봉력 프로파일을 도 8에 점선으로 도시하였고, 하기 표 1에는 2회 측정한 밀봉력 프로파일의 피크값들의 평균값을 기재하였다.
<실시예 3>
상기 비교예의 샘플3을 준비하고, 2차 실링으로서, 실링 온도를 185℃로 하고, 40 ㎏f/㎠의 힘을 3초 동안 인가하였다.
상기 샘플3의 2차 실링 후 밀봉력을 2회 측정한 밀봉력 프로파일을 도 9에 점선으로 도시하였고, 하기 표 1에는 2회 측정한 밀봉력 프로파일의 피크값들의 평균값을 기재하였다.
상기 비교예와 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 전지케이스의 밀봉력을 측정하기 위하여, 하기와 같은 박리강도 측정 실험을 진행하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
<실험예>
박리강도 측정
Stable Micro System 사의 TA 장비(모델명: Texture Analyzer)를 사용하여 상기 비교예, 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 전지케이스를 250 ㎜/min의 속도로 180도의 각도로 박리하고, 이 때 필요한 힘을 측정하였다.
상기 표 1을 참조하면, 샘플 1의 경우, 1차 실링만 진행했을 때의 밀봉력이 2차 실링을 추가로 진행한 후의 밀봉력보다 더 높은 것을 확인할 수 있다.
한편, 샘플2와 샘플3의 경우, 1차 실링만 진행했을 때의 밀봉력 보다 2차 실링을 진행한 후의 밀봉력이 더욱 증가함을 확인할 수 있다.
따라서, 본원발명과 같이 1차 실링 온도 보다 낮은 온도로 2차 실링을 진행하는 경우, 1차 실링만 진행한 상태보다 밀봉력이 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는, 도 3 및 도 4에 도시한 결과와 같이, 1차 실링과 2차 실링을 순차적으로 진행하고, 2차 실링 온도가 1차 실링 온도보다 낮은 경우에는, 폴리볼의 크기가 현저히 줄어들기 때문에 밀봉력이 감소되는 결과가 나타나는 것이다.
실시예 2와 실시예 3을 통해서 알 수 있듯이 2차 실링 온도가 1차 실링 온도와 같거나, 1차 실링 온도 보다 높은 경우에는, 밀봉력이 증가되는 결과가 나타났으며, 가압보다는 온도에 의한 영향이 더 큰 것으로 파악된다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
101: 제1케이스
101a, 102a: 외부 수지층
101b, 102b: 금속층
101c, 102c: 내부 접착층
102: 제2케이스
105: 전극조립체 수납부
108: 폴리볼
110: 전극조립체
111: 양극단자
112: 음극단자
200: 1차 실링툴
220: 1차 실링부
300: 2차 실링툴
320: 2차 실링부
101a, 102a: 외부 수지층
101b, 102b: 금속층
101c, 102c: 내부 접착층
102: 제2케이스
105: 전극조립체 수납부
108: 폴리볼
110: 전극조립체
111: 양극단자
112: 음극단자
200: 1차 실링툴
220: 1차 실링부
300: 2차 실링툴
320: 2차 실링부
Claims (12)
- 라미네이션 시트로 이루어진 전지케이스에 전극조립체를 수납하는 단계;
상기 전지케이스의 외주변을 1차 실링하는 단계; 및
상기 1차 실링한 외주변의 적어도 일부를 2차 실링하는 단계;
를 포함하는 파우치형 전지셀의 제조방법에 있어서,
상기 1차 실링과 상기 2차 실링은 고온의 실링툴로 상부케이스와 하부케이스를 가압하는 과정으로 진행되며,
상기 1차 실링의 실링 온도는 상기 2차 실링의 실링 온도보다 높은 파우치형 전지셀의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 1차 실링 온도는 130℃ 초과 내지 250℃ 이하이고, 상기 2차 실링 온도는 50℃ 이상 내지 200℃ 미만인 파우치형 전지셀의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 1차 실링은 상기 전지케이스가 밀봉되도록 전지케이스의 모든 외주변을 밀봉하는 과정인 파우치형 전지셀의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 2차 실링은 상기 전지케이스의 장축 방향 실링부 중 적어도 일부, 단축 방향 실링부 중 적어도 일부, 및 모서리 중 일부 중 적어도 하나를 실링하는 파우치형 전지셀의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 2차 실링은 상기 전지케이스의 장축 방향 실링부의 중심을 실링하는 파우치형 전지셀의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 2차 실링 시간은 상기 1차 실링 시간보다 긴 파우치형 전지셀의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 2차 실링 시간은 5초 이상인 파우치형 전지셀의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 2차 실링의 가압력은 상기 1차 실링의 가압력보다 큰 파우치형 전지셀의 제조방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 전지셀의 제조방법에 의해 제조된 파우치형 전지셀.
- 제9항에 있어서,
상기 파우치형 전지셀은 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층을 포함하는 라미네이트 시트를 전지케이스로 포함하고,
1차 실링과 2차 실링을 모두 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께는, 1차 실링만 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께의 60 내지 70%인 파우치형 전지셀. - 제9항에 있어서,
상기 파우치형 전지셀은 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층을 포함하는 라미네이트 시트를 전지케이스로 포함하고,
1차 실링만 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께는 220㎛ 내지 290㎛, 2차 실링까지 진행한 실링부에서 폴리볼의 두께는 150㎛ 내지 170㎛인 파우치형 전지셀. - 제9항에 있어서,
상기 전지케이스에서 1차 실링과 2차 실링된 실링부의 밀봉력은 1차 실링만 한 실링부의 밀봉력 보다 낮은 파우치형 전지셀.
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|---|---|---|---|
| PCT/KR2021/016521 WO2022103194A1 (ko) | 2020-11-13 | 2021-11-12 | 2차 실링을 포함하는 파우치형 전지셀의 제조방법 및 이에 의해 제조된 파우치형 전지셀 |
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- 2021-11-11 KR KR1020210155191A patent/KR20220065707A/ko active Search and Examination
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