WO2022215881A1 - 이차전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

이차전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2022215881A1
WO2022215881A1 PCT/KR2022/003519 KR2022003519W WO2022215881A1 WO 2022215881 A1 WO2022215881 A1 WO 2022215881A1 KR 2022003519 W KR2022003519 W KR 2022003519W WO 2022215881 A1 WO2022215881 A1 WO 2022215881A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
discharge hole
safety vent
secondary battery
electrode
block
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/003519
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
한우리
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to CN202280007375.3A priority Critical patent/CN116472638A/zh
Priority to EP22784791.0A priority patent/EP4228072A1/en
Priority to JP2023526971A priority patent/JP2023548187A/ja
Priority to US18/037,285 priority patent/US20240006707A1/en
Publication of WO2022215881A1 publication Critical patent/WO2022215881A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
    • H01M50/3425—Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/049—Processes for forming or storing electrodes in the battery container
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/107—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure having curved cross-section, e.g. round or elliptic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/147—Lids or covers
    • H01M50/148—Lids or covers characterised by their shape
    • H01M50/152—Lids or covers characterised by their shape for cells having curved cross-section, e.g. round or elliptic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/147—Lids or covers
    • H01M50/166—Lids or covers characterised by the methods of assembling casings with lids
    • H01M50/167—Lids or covers characterised by the methods of assembling casings with lids by crimping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/183—Sealing members
    • H01M50/186—Sealing members characterised by the disposition of the sealing members
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/308—Detachable arrangements, e.g. detachable vent plugs or plug systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/394—Gas-pervious parts or elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/578—Devices or arrangements for the interruption of current in response to pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0438—Processes of manufacture in general by electrochemical processing
    • H01M4/044—Activating, forming or electrochemical attack of the supporting material
    • H01M4/0445—Forming after manufacture of the electrode, e.g. first charge, cycling
    • H01M4/0447—Forming after manufacture of the electrode, e.g. first charge, cycling of complete cells or cells stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a secondary battery capable of discharging gas generated in an activation process and a manufacturing method thereof.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries, which have advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability.
  • secondary batteries are classified according to the structure of the electrode assembly in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are stacked.
  • a jelly roll-type electrode assembly in which a long sheet-shaped anode and anode are wound with a separator interposed therebetween, and a plurality of cathodes and anodes cut into units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween. and stacked electrode assemblies.
  • the secondary battery includes a cylindrical battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical case, a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a prismatic case, and a pouch in which the electrode assembly is embedded in a pouch-shaped case of an aluminum laminate sheet. It can be classified as a type battery.
  • the secondary battery can be used appropriately in the market when it has safety while satisfying the performance suitable for the intended use.
  • design factors are determined by considering these performance and safety aspects at the same time. Batteries that have been designed and manufactured are subjected to safety evaluations such as overcharge, overdischarge, impact, nail test, and hot box as well as performance evaluation such as lifespan, high rate characteristics, and high/low temperature characteristics.
  • Cylindrical secondary batteries among various types of secondary batteries prevent additional reactions by blocking current between electrode terminals and electrode tabs when gas is rapidly generated inside the secondary battery in an abnormal state such as overcharging and the internal pressure exceeds a certain level. and a current interrupt device (CID).
  • CID current interrupt device
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a cross-section of an upper portion of a conventional cylindrical secondary battery.
  • the electrode assembly 20 is accommodated in the cylindrical case 30 , and the cap assembly 40 is mounted on the open upper portion of the cylindrical case 30 to manufacture the cylindrical secondary battery 10 . .
  • the electrode assembly 20 may be a jelly roll type electrode assembly in which the first electrode 21 , the second electrode 22 , and the separator 23 are wound.
  • the cap assembly 40 may include a top cap 41 , a safety vent 42 for internal pressure drop, and a current interruption member 43 (Current Interrupt Device, CID).
  • the upper cap 41 and the safety vent 42 may form a structure in close contact with each other, and the safety vent 42 may be connected to the center of the current blocking member 43 .
  • a first electrode tab 21t protruding from the first electrode 21 may be connected to a lower end of the current blocking member 43 .
  • the first electrode 21 may be a positive electrode
  • the first electrode tab 21t may be a positive electrode tab.
  • the upper cap 41 may be electrically connected to the electrode assembly 20 by being directly or indirectly connected to the safety vent 42, the current blocking member 43, and the first electrode tabs 21t, It can function as an electrode terminal.
  • a gasket 70 for sealing between the cap assembly 40 and the cylindrical case 30 and a CID gasket 80 surrounding the edge of the current blocking member 43 may be disposed.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating a state when the internal pressure of the cylindrical secondary battery of FIG. 1 is increased.
  • the shape of the safety vent 42 is reversed, and the current blocking member 43 is separated to supply current.
  • the current blocking member 43 is divided into a portion 43a connected to the safety vent 42 and a portion 43b connected to the first electrode tab 21t, the upper cap 41 functioning as an electrode terminal, and Current flow between the first electrode tabs 21t is blocked.
  • the safety vent 42 is opened while the notch portion of the safety vent 42 is cut, and the internal gas is discharged.
  • the structural rigidity is excellent, but when the safety vent 42 is opened and the internal gas is discharged, the spatial part is formed by the top cap 41 There is a disadvantage in that the safety vent 42 is not fully opened for heat, so that the gas discharge is limited.
  • a lithium secondary battery performs a formation process, that is, an activation process during a manufacturing process.
  • the activation process is a process of activating the battery by performing charging and discharging after assembling the battery.
  • a solid electrolyte interface (SEI) film is formed on the surface of the negative electrode. is formed
  • SEI solid electrolyte interface
  • the conventional cylindrical secondary battery 10 it is not easy to discharge the gas generated in the activation process because the seal must be maintained after the electrolyte is injected. If the gas generated in the activation process is not discharged, it may interfere with the cell reaction between the positive electrode and the negative electrode, which may adversely affect the initial capacity of the battery, the formation of a stable solid electrolyte interface (SEI), and life performance characteristics. In addition, the gas may not be discharged, which may affect the results of the above-described safety evaluation.
  • SEI solid electrolyte interface
  • An object of the present invention is to provide a secondary battery capable of discharging gas after a pre-activation process or an activation process, and a method for manufacturing the same.
  • a secondary battery includes an electrode assembly; a battery case housing the electrode assembly and having an open top; and a cap assembly coupled to an open upper portion of the battery case, wherein the cap assembly includes a safety vent exposed to the outside from the top.
  • a discharge hole is formed in the safety vent, and a block is filled in the discharge hole.
  • the block may be joined to the discharge hole by ball welding.
  • An upper end of the battery case may be bent to form a crimping portion surrounding the outer periphery of the safety vent.
  • the safety vent may include a curling portion bent at the outer peripheral portion of the safety vent, and the crimping portion may be wrapped around the curling portion to be crimped together.
  • the cap assembly may include a current blocking member positioned below the safety vent, and a central portion of the safety vent and the current blocking member may be connected to each other.
  • the discharge hole may be located between the central portion and the outer peripheral portion of the safety vent.
  • a method of manufacturing a secondary battery includes the steps of accommodating an electrode assembly in a battery case having an open top; coupling a cap assembly having a discharge hole formed at an open upper portion of the battery case; a gas discharging step of discharging the gas inside the battery case to the outside through the discharge hole; and a sealing step of filling the discharge hole with a block.
  • the cap assembly includes a safety vent exposed to the outside from an upper end, and the discharge hole is formed in the safety vent.
  • the block may be joined to the discharge hole by ball welding.
  • the diameter of the block may be greater than the inner diameter of the discharge hole, and the block may be fired into the discharge hole, and the block may be inserted into the discharge hole.
  • the coupling of the cap assembly may include forming a crimping part surrounding the safety vent by bending an upper end of the battery case.
  • the safety vent may include a curling portion bent at an outer peripheral portion of the safety vent, and a crimping coupling may be made such that the crimping portion surrounds the curling portion.
  • the method of manufacturing the secondary battery may further include a pre-activation step of activating the electrode assembly in advance.
  • the gas generated in the pre-activation step may be discharged to the outside through the discharge hole.
  • the method of manufacturing the secondary battery may further include an activation step of activating the electrode assembly.
  • the activation step may be performed after the sealing step.
  • the manufacturing method of the secondary battery may include a temporary sealing step of temporarily sealing the discharge hole; an activation step of activating the electrode assembly; and a temporary sealing releasing step of releasing the temporary sealing state of the discharge hole.
  • the gas generated in the activation step may be discharged to the outside through the discharge hole.
  • the step of degassing may occur simultaneously with the step of temporarily unsealing or immediately after the step of temporarily unsealing.
  • the sealing step may be performed after the gas discharging step.
  • the safety vent can be completely opened when the internal pressure rises, which can be effective for gas discharge.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a cross-section of an upper portion of a conventional cylindrical secondary battery.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating a state when the internal pressure of the cylindrical secondary battery of FIG. 1 is increased.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional perspective view of a safety vent included in the secondary battery of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of an upper portion of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 9 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 10 to 13 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where another part is in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and it means to be located “on” or “on” in the direction opposite to the gravity. not.
  • planar view it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross-section obtained by cutting the target part vertically is viewed from the side.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a cross-sectional perspective view of a safety vent included in the secondary battery of FIG. 3 .
  • 5 is a cross-sectional view of an upper portion of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the upper part of the cross-section taken along the xz plane after each component of the secondary battery of FIG. 3 is assembled.
  • a secondary battery 100 includes an electrode assembly 200; a battery case 300 in which the electrode assembly 200 is accommodated and an upper part thereof is opened; and a cap assembly 400 coupled to the open upper portion of the battery case 300 .
  • the electrode assembly 200 may include a first electrode 210 , a second electrode 220 , and a separator 230 .
  • the first electrode 210 , the second electrode 220 , and the separator 230 may be wound together to form the jelly roll-type electrode assembly 200 .
  • the separator 230 may be interposed between the first electrode 210 and the second electrode 220 .
  • the first electrode 210 may be formed by coating an electrode active material on the first electrode current collector. Meanwhile, the first electrode tab 213 may be attached to a portion of the first electrode current collector where the electrode active material is not applied and the first electrode current collector is exposed by welding or the like.
  • the second electrode 220 may be formed by coating an electrode active material on the second electrode current collector. Meanwhile, the second electrode tab 223 may be attached to a portion of the second electrode current collector where an electrode active material is not applied and the second electrode current collector is exposed by welding or the like.
  • the first electrode 210 may be an anode
  • the second electrode 220 may be a cathode
  • the first electrode tab 213 may be a positive electrode tab
  • the second electrode tab 223 may be a negative electrode tab.
  • the first electrode tab 213 and the second electrode tab 223 may protrude in opposite directions. 3
  • the first electrode tab 213 may protrude in the direction (z-axis direction) in which the cap assembly 400 is located
  • the second electrode tab 223 is the bottom of the battery case 300 . It may protrude in the direction (-z-axis direction) in which the sub is located.
  • the battery case 300 is a structure accommodating the electrode assembly 200 impregnated with the electrolyte, and may include a metal material and may be a cylindrical case.
  • the cap assembly 400 includes a safety vent 410 exposed to the outside from the top.
  • a discharge hole 410H is formed in the safety vent 410
  • the block 500 is filled in the discharge hole 410H.
  • the discharge hole 410H and the block 500 will be described later.
  • the cap assembly 400 may include a current interrupting member 420 (Current Interrupt Device, CID) positioned under the safety vent 410 .
  • CID Current Interrupt Device
  • the cap assembly 400 has a structure in which the top cap is removed, and the safety vent 410 may be exposed from the top to the outside.
  • the safety vent 410 is positioned on the current blocking member 420 and may be electrically connected to the current blocking member 420 . Specifically, the central portion of the safety vent 410 and the first portion 421 of the current blocking member 420 to be described later may be physically and electrically connected. A first electrode tab 213 protruding from the first electrode 210 may be connected to a lower end of the current blocking member 420 .
  • the safety vent 410 is a thin film structure through which an electric current passes, and may be a disk-shaped plate.
  • the safety vent 410 , the current blocking member 420 , and the first electrode tabs 213 are sequentially connected, and the safety vent 410 may function as an electrode terminal guiding the electrical connection of the electrode assembly 200 .
  • the current blocking member 420 is a plate member through which current passes, and through-holes 420H for discharging gas may be formed.
  • the current blocking member 420 may include a first portion 421 connected to the safety vent 410 and a second portion 422 connected to the first electrode tab 213 , and the first portion 421 . ) may be located at a central portion of the current blocking member 420 , and the second portion 422 may be located at an outer peripheral portion of the current blocking member 420 .
  • the shape of the safety vent 410 may be reversed.
  • the first portion 421 of the current blocking member 420 is raised together, so that the first portion 421 and the second portion 422 of the current blocking member 420 are separated. can be separated from each other.
  • a space between the first part 421 and the second part 422 may be designed to have a rather weak strength.
  • the current between the safety vent 410 and the first electrode tab 213 is cut off by the separation of the first part 421 and the second part 422 .
  • a notch structure such as a kind of groove may be provided in the safety vent 410 .
  • the notch structure is broken or torn, and the safety vent 410 is opened, and internal gas is discharged.
  • the safety vent 42 since the upper cap 41 is located on the safety vent 42 , the safety vent 42 cannot be fully opened due to the spatial part being inferior. As a result, the gas cannot be effectively discharged.
  • the top cap 41 itself may interfere with gas discharge.
  • the safety vent 410 since the safety vent 410 is exposed from the top without the top cap, the shape of the safety vent 410 can be freely reversed or separated when the internal pressure rises. Therefore, compared to the conventional cylindrical secondary battery 10, it is more effective in discharging gas.
  • the safety vent 410 is formed with a penetrating discharge hole 410H, and the block 500 is filled in the discharge hole 410H.
  • the discharge hole 410H may be a circular through hole, and the block 500 may have a ball shape.
  • the ball-shaped block 500 may be joined to the discharge hole 410H by ball welding.
  • the ball welding refers to a joining method in which a ball-shaped configuration is fired into a hole having a diameter smaller than that of the ball, and the hole is blocked. That is, as will be described later, the diameter of the ball-shaped block 500 before filling in the discharge hole 410H may be larger than the inner diameter of the discharge hole 410H.
  • the lithium secondary battery performs a formation process, ie, an activation process, during a manufacturing process.
  • This activation process is generally performed by repeating charging and discharging with a constant current or constant voltage in a certain range.
  • a large amount of gas is generated due to the formation of an electrode film or decomposition of moisture inside the cell. Since the gas generated in the activation process is large and continuously reacts with the electrode film, a process for discharging it is required. This is called a degassing or degassing process.
  • the secondary battery 100 may discharge a gas generated in a pre-activation process or an activation process, which will be described later, to the outside through an exhaust hole 410H formed in the safety vent 410 .
  • the pre-activation process or the activation process is performed on the secondary battery 100 in which the battery case 300 and the cap assembly 400 are combined, and the gas generated in the process is discharged to the outside through the discharge hole 410H.
  • discharge When the discharge of the gas is completed, the secondary battery 100 may be sealed by filling the block 500 in the discharge hole 410H by the above-described ball welding method.
  • the secondary battery 100 according to the present embodiment can easily discharge the gas inside the battery case 300 , thereby preventing an increase in internal pressure and a decrease in performance. In other words, it is possible to solve problems such as expansion and deformation of the electrode assembly due to gas or lithium precipitation caused by residual gas bubbles.
  • the safety vent 410 since the safety vent 410 according to the present embodiment has a structure exposed to the outside according to the removal of the top cap, it is easy to form the discharge hole 410H for discharging gas.
  • the conventional cylindrical secondary battery 10 since the upper cap 41 exists, it is structurally quite difficult to block the discharge hole provided for the discharge of the gas again after the gas is discharged.
  • discharge holes In order to discharge the gas, discharge holes must be formed in both the top cap 41 and the safety vent 42 , and it is structurally complicated and difficult to block the discharge hole formed in the safety vent 42 due to the existence of the top cap 41 .
  • cap assembly 400 since the cap assembly 400 according to the present embodiment has a structure in which the safety vent 410 is exposed at the uppermost end, it is easy to seal the discharge hole 410H after the gas is discharged.
  • Ball welding which is a mechanical bonding method described above, may also be applied without limitation.
  • the battery case 300 may include a crimping part 300C and a beading part 300B.
  • the beading portion 300B refers to a portion in which a portion of the cylindrical battery case 300 is recessed in the center direction of the electrode assembly 200 to prevent the electrode assembly 200 from flowing.
  • the crimping part 300C is located above the beading part 300B and refers to a part surrounding the cap assembly 400 , and is for stable coupling of the cap assembly 400 .
  • An upper end of the battery case 300 may be bent to surround the cap assembly 400 to form a crimping portion 300C. More specifically, the upper end of the battery case 300 may be bent to surround the outer peripheral portion of the safety vent 410 to form the crimping portion 300C.
  • the sealing gasket 700 may be mounted on inner surfaces of the crimping part 300C and the beading part 300B to increase sealing force between the cap assembly 400 and the battery case 300 . That is, the gasket 700 is positioned between the battery case 300 and the cap assembly 400, and the upper end of the battery case 300 is bent to perform crimping to form the crimping part 300C. can That is, mounting of the cap assembly 400 and sealing of the secondary battery 100 may be achieved by crimping.
  • the gasket 700 may be positioned between the crimping part 300C and the safety vent 410 .
  • a bent portion 410B may be formed in the safety vent 410 according to the present embodiment. Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5 , a portion of the safety vent 410 may be bent in an upward direction to form a bent portion 410B. Such a bent portion 410B is formed, it is possible to reduce the deformation transferred to the safety vent 410 during crimping.
  • the first portion 421 of the current blocking member 420 is raised together, and the first portion of the current blocking member 420 is raised. 421 and the second portion 422 are separated from each other.
  • the bent portion 410B bent in an upward direction may be formed to increase the distance between the safety vent 410 and the current blocking member 420 while minimizing the height of the cap assembly 400 itself.
  • the cap assembly 400 in the case of the above-described crimping coupling, strong physical compression may be applied to the cap assembly 400 , and accordingly, there may be a problem in that the cap assembly 400 is damaged.
  • the safety vent 410 is damaged in a structure in which the safety vent 410 is exposed without a top cap.
  • the thickness of the safety vent 410 is formed to be thicker than before in order to supplement the rigidity of the safety vent 410 , there is a high possibility that the shape reversal or separation of the safety vent 410 may not be implemented properly when the internal pressure rises.
  • a curling part 410C (Curling part) is provided in a portion corresponding to the crimping part 300C of the safety vent 410.
  • the safety vent 410 may include a curling portion 410C bent at the outer peripheral portion of the safety vent 410 .
  • FIGS. 3 and 4 the appearance of the flange part (410F, Flange part) is shown before the curling part (410C) is formed, and in FIG. 5, the flange part (410F) is bent inward and the curling part ( 410C) was formed.
  • the crimping part 300C of the battery case 300 may wrap the safety vent 410 with the gasket 700 interposed therebetween, and among them, the crimping coupling is made by surrounding the curling part 410C of the safety vent 410 .
  • the central portion of the safety vent 410 is made of one layer, but the outer peripheral portion of the safety vent 410 wrapped around the crimping unit 300C may be made of two layers. That is, by providing the curling part 410C, damage to the safety vent 410 that may occur during crimping is prevented, and at the same time, when the internal pressure rises, the shape of the safety vent 410 does not interfere with reversal or separation. .
  • the discharge hole 410H may be located between a central portion and an outer peripheral portion of the safety vent 410 .
  • the central portion of the safety vent 410 means a portion connected to the first portion 421 of the current blocking member 420
  • the outer peripheral portion of the safety vent 410 is the portion where the curling portion 410C is formed. it means.
  • 6 to 9 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a secondary battery according to an embodiment of the present invention, showing a cross-section of an upper portion of the secondary battery.
  • the method of manufacturing a secondary battery includes the steps of accommodating the electrode assembly 200 in the battery case 300 with an open top and the battery case 300 ) and coupling the cap assembly 400 in which the discharge hole 410H is formed in the open upper portion.
  • the electrode assembly 200 may be in the form of a jelly roll in which the first electrode 210 , the second electrode 220 , and the separator 230 are wound together, and the battery case 300 is a cylindrical case.
  • the electrolyte may be injected into the battery case 300 together with the electrode assembly 200 before the cap assembly 400 is coupled.
  • the cap assembly 400 includes a safety vent 410 exposed to the outside from the top, and a discharge hole 410H is formed in the safety vent 410 .
  • the specific structures of the safety vent 410 and the discharge hole 410H are described above, and thus will be omitted.
  • the coupling of the cap assembly 400 includes bending the upper end 300U of the battery case 300 to form a crimping part 300C surrounding the safety vent 410 .
  • the safety vent 410 may include a curling portion 410C bent at the outer peripheral portion of the safety vent 410, and crimping coupling may be made such that the crimping portion 300C surrounds the curling portion 410C. have.
  • the curling portion 410C may be formed by bending the upwardly upward flange portion 410F (refer to FIG. 4 ) inward.
  • the method of manufacturing the secondary battery according to the present embodiment includes a gas discharging step of discharging the gas inside the battery case 300 to the outside through the discharge hole 410H.
  • the method of manufacturing the secondary battery according to the present embodiment may further include a pre-activation step of pre-activating the electrode assembly 200 accommodated in the battery case 300 .
  • the pre-activation step is a process performed to discharge gas in advance before the activation step. That is, the pre-activation step is a process performed before the activation step for the purpose of generating gas. For example, in the pre-activation step, only charging at a low state of charge (SOC) may be performed.
  • SOC state of charge
  • the specific content of the pre-activation step may vary depending on the model, and as another embodiment, may be in the form of repeating charging and discharging with a constant current or constant voltage in a certain range.
  • the pre-activation step charging may be performed through the safety vent 410 and the battery case 300 functioning as electrode terminals, or charging and discharging may be repeated.
  • the cap assembly 400 is coupled to the open top of the battery case 300 by crimping, the pre-activation step may be performed.
  • the gas discharge step the gas generated in the pre-activation step may be discharged from the inside of the secondary battery 100 to the outside through the discharge hole 410H. That is, the pre-activation step is performed in a state in which the discharge hole 410H is opened, and the gas generated in the process may be discharged to the outside through the discharge hole 410H.
  • the method of manufacturing the secondary battery according to the present embodiment includes a sealing step of filling the block 500 in the discharge hole 410H.
  • the block 500 may be joined to the discharge hole 410H by ball welding.
  • the discharge hole 410H may be a circular through hole, and the block 500 may have a ball shape.
  • the ball-shaped block 500 may be joined to the discharge hole 410H by ball welding.
  • the diameter d2 of the ball-shaped block 500 may be larger than the inner diameter d1 of the discharge hole 410H.
  • This block 500 is strongly fired into the discharge hole 410H, and the block ( 500) may be inserted into the discharge hole 410H.
  • the discharge hole 410H may be sealed by using the ball welding of the interference insertion method.
  • the secondary battery 100 according to the present embodiment has a structure in which the upper cap is removed and the safety vent 410 is exposed at the uppermost end, the discharge hole 410H is used after the gas is discharged using the ball welding method. ) is easy to seal.
  • the method of manufacturing the secondary battery according to the present embodiment may further include an activation step of activating the electrode assembly 200 .
  • the activation step may be performed after the sealing step. That is, after the gas generated in the pre-activation step is discharged, the discharge hole 410H is sealed in the sealing step.
  • the activation step may be performed by repeating charging and discharging with a constant current or constant voltage within a certain range.
  • the activation step is a process of repeatedly performing charging and discharging for the purpose of forming a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of the anode and selecting low voltage.
  • SEI solid electrolyte interface
  • the secondary battery 100 manufactured according to an embodiment of the present invention proceeds with the pre-activation step and discharges the gas generated in the process, thereby preventing problems such as expansion and deformation of the electrode assembly due to residual gas. It is possible to solve the problem of lithium precipitation caused by residual gas bubbles.
  • 10 to 13 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a secondary battery according to another embodiment of the present invention, showing a cross-section of an upper portion of the secondary battery.
  • the method of manufacturing a secondary battery according to another embodiment of the present invention includes the steps of accommodating the electrode assembly 200 in the battery case 300 with an open top and the battery case ( and coupling the cap assembly 400 in which the discharge hole 410H is formed in the open upper portion of the 300 . Since the above steps are the same as those described above, further description will be omitted.
  • the method of manufacturing the secondary battery according to the present embodiment may include a temporary sealing step of temporarily sealing the discharge hole 410H.
  • the discharge hole 410H may be covered with the cover member 600 to temporarily block the discharge hole 410H.
  • the cover member 600 having a portion corresponding to the diameter of the discharge hole 410H may be inserted into the discharge hole 410H.
  • the method of manufacturing the secondary battery according to the present embodiment may include an activation step of activating the electrode assembly 200 .
  • the activation step may be performed after the temporary sealing step.
  • the activation step may be performed by repeating charging and discharging with a constant current or constant voltage within a certain range.
  • the activation step is a process of repeatedly performing charging and discharging for the purpose of forming a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of the anode and selecting low voltage.
  • SEI solid electrolyte interface
  • the method of manufacturing the secondary battery according to the present embodiment may include a temporary sealing releasing step of releasing the temporary sealing state of the discharge hole 410H.
  • the discharge hole 410H may be opened again by removing the cover member 600 from the discharge hole 410H.
  • the temporary unsealing step may be performed after the activation step.
  • the gas generated in the activation step may be discharged to the outside through the discharge hole 410H.
  • the step of degassing may occur simultaneously with the step of temporarily unsealing or immediately after the step of temporarily unsealing. In other words, while the discharge hole 410H is reopened through the temporary sealing release step, the gas generated inside the secondary battery 100 during the activation step may be discharged to the outside through the discharge hole 410H.
  • a sealing step of filling the block 500 in the discharge hole 410H may be followed.
  • the sealing step may be performed after the gas discharging step.
  • the block 500 may be joined to the discharge hole 410H by ball welding.
  • the discharge hole 410H may be a circular through hole, and the block 500 may have a ball shape.
  • the block 500 is strongly fired into the discharge hole 410H, and the block 500 may be inserted into the discharge hole 410H. That is, ball welding may be performed.
  • This sealing step may be the same as or similar to that described above with reference to FIG. 8 . Further description of the sealing step will be omitted to avoid repetition of the description.
  • the secondary battery 100 manufactured according to another embodiment of the present invention is finally sealed after discharging the gas generated in the activation step, thereby preventing problems such as expansion and deformation of the electrode assembly due to residual gas or residual gas. It is possible to solve the problem of lithium precipitation caused by bubbles.
  • a plurality of secondary batteries according to the present embodiment described above may be gathered to form a battery module.
  • the battery module may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • the secondary battery, the battery module, or the battery pack may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, a hybrid, etc., but is not limited thereto and may be applied to various devices that can use a secondary battery.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Gas Exhaust Devices For Batteries (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는, 상단에서 외부로 노출된 안전 벤트를 포함한다. 상기 안전 벤트에 배출홀이 형성되고, 상기 배출홀에 블록이 채워진다.

Description

이차전지 및 이의 제조 방법
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 4월 8일자 한국 특허 출원 제10-2021-0045794호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 활성화 공정에서 발생한 가스의 배출이 가능한 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는 상기 젤리롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형의 케이스에 내장된 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 케이스에 내장된 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
한편, 이차전지는 사용 용도에 적합한 성능을 만족시키는 동시에 안전성을 갖추어야 시장에서 적합하게 활용 가능하다. 이차전지를 설계할 때는 이러한 성능과 안전성 측면을 동시에 고려하여 설계 인자를 결정하게 된다. 설계 및 제작이 완료된 전지는 수명, 고율 특성, 고온/저온 특성 등의 성능 평가와 함께 과충전, 과방전, 충격(impact), 네일 테스트(Nail Test), 핫박스(hot box) 등의 안전성 평가를 진행하게 된다.
다양한 형태의 이차전지 중 원통형 이차전지는, 과충전 등의 비정상적인 상태에서 이차전지 내부에 가스가 급격히 발생하여 내압이 일정 수준 이상이 되면, 전극 단자와 전극탭 간의 전류를 차단하여 추가적인 반응이 일어나지 않도록 방지하는 전류 차단 부재(Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 상부에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 1을 참고하면, 전극 조립체(20)가 원통형 케이스(30)에 수납되고, 원통형 케이스(30)의 개방된 상부에 캡 조립체(40)가 장착되어 원통형 이차전지(10)가 제조될 수 있다.
전극 조립체(20)는 제1 전극(21), 제2 전극(22) 및 분리막(23)이 권취된 젤리롤형 전극 조립체일 수 있다.
캡 조립체(40)는 상단 캡(41), 내부 압력 강하용 안전 벤트(42) 및 전류 차단 부재(43, Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다. 상단 캡(41)과 안전 벤트(42)는 상호 밀착된 구조를 형성할 수 있고, 안전 벤트(42)는 전류 차단 부재(43)의 중심부와 연결될 수 있다. 전류 차단 부재(43)의 하단부에 제1 전극(21)으로부터 돌출된 제1 전극탭(21t)이 연결될 수 있다. 여기서 제1 전극(21)은 양극일 수 있고, 제1 전극탭(21t)은 양극탭일 수 있다.
위와 같이, 상단 캡(41)은, 안전 벤트(42), 전류 차단 부재(43) 및 제1 전극탭(21t)들과 직, 간접적으로 연결되어 전극 조립체(20)와 전기적으로 연결될 수 있고, 전극 단자로써 기능할 수 있다.
한편, 캡 조립체(40)와 원통형 케이스(30) 간의 밀봉을 위한 가스켓(70) 및 전류 차단 부재(43)의 가장자리를 감싸는 CID 가스켓(80)이 배치될 수 있다.
도 2는 도 1의 원통형 이차전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2를 참고하면, 원통형 이차전지(10)가 고온에 노출되거나 비정상적인 작동 상태에 놓여 내부 압력이 상승하면, 안전 벤트(42)의 형상이 역전되고, 전류 차단 부재(43)가 분리되어 전류를 차단한다. 구체적으로, 전류 차단 부재(43)가 안전 벤트(42)와 연결된 부분(43a) 및 제1 전극탭(21t)과 연결된 부분(43b)으로 나누어져, 전극 단자로 기능하는 상단 캡(41)과 제1 전극탭(21t) 간의 전류 흐름이 차단된다. 또한 내부 압력이 크게 상승된 경우, 안전 벤트(42)의 노치부분이 끊어지면서 안전 벤트(42)가 열리고, 내부 가스가 배출된다.
종래의 원통형 이차전지(10)와 같이 상단 캡(41)을 구비한 경우, 구조적 강성은 뛰어나지만, 안전 벤트(42)가 열리면서 내부 가스가 배출될 때 상단 캡(41)에 의해 공간적인 부분이 열위하여 안전 벤트(42)가 완전히 열리지 못해 가스 배출이 제한된다는 단점이 있다.
한편, 일반적으로 리튬 이차전지는 제조 과정에서 화성(formation) 공정, 즉 활성화 공정을 수행한다. 상기 활성화 공정은 전지 조립 후 충전과 방전을 수행하여 전지를 활성화하는 공정으로서, 충전 시 양극으로부터 나온 리튬 이온이 음극으로 이동하여 삽입되며 이 때 음극 표면에서 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막이 형성된다. 이러한 활성화 공정은 일반적으로 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충방전을 반복하는 것으로 진행된다.
이러한 활성화 공정에서, 전극 피막 형성이나 셀 내부 수분의 분해로 인해 다량의 가스가 발생하는데, 활성화 공정에서 발생한 가스는 양도 많고 전극 피막과 지속적으로 반응하기 때문에 이를 배출시켜주는 공정이 필요하다. 이를 탈기(degas) 공정이라고 한다.
그러나, 도 1 및 도 2를 다시 참고하면, 종래의 원통형 이차전지(10)는 전해액 주입 후 밀폐를 유지해야 하기에 활성화 공정에서 발생한 가스를 배출하기 용이하지 않다. 활성화 공정에서 발생한 가스가 배출되지 못하면, 양극과 음극 사이의 전지반응을 방해하여, 전지의 초기용량, 안정적 고체 전해질 계면(SEI) 형성, 수명성능발현 특성 등에 악영향을 끼칠 수 있다. 또한, 가스가 배출되지 못해 상술한 안전성 평가의 결과에 영향을 미치기도 한다.
이에, 활성화 공정에서 발생한 가스의 배출이 가능한 원통형 이차전지에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 프리 활성화(Pre-activation) 공정 또는 활성화 공정 이후 가스 배출이 가능한 이차전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는, 상단에서 외부로 노출된 안전 벤트를 포함한다. 상기 안전 벤트에 배출홀이 형성되고, 상기 배출홀에 블록이 채워진다.
상기 블록은 상기 배출홀에 볼 용접(Ball welding)으로 접합될 수 있다.
상기 전지 케이스의 상부 일단이 구부러져 상기 안전 벤트의 외주 부분을 감싸며 크림핑부를 형성할 수 있다.
상기 안전 벤트는, 상기 안전 벤트의 상기 외주 부분에서 구부러진 컬링부를 포함할 수 있고, 상기 크림핑부가 상기 컬링부를 감싸며 크림핑 결합이 이루어질 수 있다.
상기 캡 조립체는 상기 안전 벤트 아래에 위치한 전류 차단 부재를 포함할 수 있고, 상기 안전 벤트의 중심 부분과 상기 전류 차단 부재가 서로 연결될 수 있다. 상기 배출홀은, 상기 안전 벤트의 상기 중심 부분과 상기 외주 부분 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전극 조립체를 상부가 개방된 전지 케이스에 수납하는 단계; 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 배출홀이 형성된 캡 조립체를 결합하는 단계; 상기 전지 케이스 내부의 가스를 상기 배출홀을 통해 외부로 배출하는 가스 배출 단계; 및 상기 배출홀에 블록을 채우는 밀봉 단계를 포함한다. 상기 캡 조립체는, 상단에서 외부로 노출된 안전 벤트를 포함하고, 상기 안전 벤트에 상기 배출홀이 형성된다.
상기 밀봉 단계에서, 상기 배출홀에 상기 블록을 볼 용접으로 접합시킬 수 있다.
상기 배출홀의 내경보다 상기 블록의 직경이 더 클 수 있고, 상기 블록이 상기 배출홀에 발사되어, 상기 블록이 상기 배출홀에 삽입될 수 있다.
상기 캡 조립체를 결합하는 단계는, 상기 전지 케이스의 상부 일단을 구부려 상기 안전 벤트를 감싸는 크림핑부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 안전 벤트는, 상기 안전 벤트의 외주 부분에서 구부러진 컬링부를 포함할 수 있고, 상기 크림핑부가 상기 컬링부를 감싸도록 크림핑 결합이 이루어질 수 있다.
상기 이차전지의 제조 방법은, 상기 전극 조립체를 사전에 활성화하는 프리 활성화(Pre-activation) 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 가스 배출 단계에서, 상기 프리 활성화 단계에서 발생한 가스가 상기 배출홀을 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 이차전지의 제조 방법은, 상기 전극 조립체를 활성화하는 활성화 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 활성화 단계는, 상기 밀봉 단계 이후에 이루어질 수 있다.
상기 이차전지의 제조 방법은, 상기 배출홀을 임시로 밀봉하는 임시 밀봉 단계; 상기 전극 조립체를 활성화하는 활성화 단계; 및 상기 배출홀의 임시 밀봉 상태를 해제하는 임시 밀봉 해제 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 가스 배출 단계에서, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스가 상기 배출홀을 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 가스 배출 단계는 상기 임시 밀봉 해제 단계와 동시에 또는 상기 임시 밀봉 해제 단계 직후에 이루어질 수 있다.
상기 밀봉 단계는, 상기 가스 배출 단계 이후에 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상단 캡을 제거하고 안전 벤트를 외부로 노출시켜 안전 벤트에 대한 공간적 제약을 없앰으로써, 내부 압력 상승 시 안전 벤트가 완전히 열릴 수 있어 가스 배출에 효과적일 수 있다.
또한, 안전 벤트가 외부로 노출되었기 때문에, 안전 벤트에 별도의 배출홀을 형성하여 프리 활성화 공정 또는 활성화 공정에서 발생한 가스를 용이하게 배출시킬 수 있다. 이에 따라, 가스로 인한 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 상부에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 원통형 이차전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 이차전지에 포함된 안전 벤트에 대한 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 상부에 대한 단면도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 이차전지에 포함된 안전 벤트에 대한 단면 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 상부에 대한 단면도이다. 특히, 도 5는 도 3의 이차전지의 각 부품들을 조립한 후 xz 평면을 따라 자른 단면의 상부를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는, 전극 조립체(200); 전극 조립체(200)가 수납되고 상부가 개방된 전지 케이스(300); 및 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체(400)를 포함한다.
우선, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200)는, 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)을 포함할 수 있다. 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)이 함께 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(200)가 형성될 수 있다. 분리막(230)은 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에 개재될 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 전극(210)은, 제1 전극 집전체 상에 전극 활물질을 도포하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 제1 전극 집전체 중 전극 활물질이 도포되지 않아 상기 제1 전극 집전체가 노출되는 부분에 제1 전극탭(213)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다.
제2 전극(220)은 제2 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 제2 전극 집전체 중 전극 활물질이 도포되지 않아 상기 제2 전극 집전체가 노출되는 부분에 제2 전극탭(223)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다.
이 때, 제1 전극(210)은 양극일 수 있고, 제2 전극(220)은 음극일 수 있다. 이에 따라, 제1 전극탭(213)은 양극탭일 수 있고, 제2 전극탭(223)은 음극탭일 수 있다. 한편, 권취된 전극 조립체(200)에 대해서, 제1 전극탭(213)과 제2 전극탭(223)은 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극탭(213)은 캡 조립체(400)가 위치한 방향(z축 방향)으로 돌출될 수 있고, 제2 전극탭(223)은 전지 케이스(300)의 바닥부가 위치한 방향(-z축 방향)으로 돌출될 수 있다.
한편, 전지 케이스(300)는 전해액이 함침된 전극 조립체(200)를 수납하는 구조물로써, 금속 소재를 포함할 수 있고, 원통형 케이스일 수 있다.
본 실시예에 다른 캡 조립체(400)는, 상단에서 외부로 노출된 안전 벤트(410, Safety vent)를 포함한다. 이러한 안전 벤트(410)에 배출홀(410H)이 형성되고, 배출홀(410H)에 블록(500)이 채워진다. 배출홀(410H)과 블록(500)에 대해서는 후술하도록 한다. 한편, 캡 조립체(400)는 안전 벤트(410) 아래에 위치한 전류 차단 부재(420, Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 캡 조립체(400)는, 종래의 원통형 이차전지(10, 도 1 참고)와 달리, 상단 캡이 제거된 구조로써, 안전 벤트(410)가 상단에서 외부로 노출될 수 있다.
이러한 안전 벤트(410)는 전류 차단 부재(420) 상에 위치하며, 전류 차단 부재(420)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 안전 벤트(410)의 중심 부분과 후술할 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)이 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다. 전류 차단 부재(420)의 하단부에는 제1 전극(210)으로부터 돌출된 제1 전극탭(213)이 연결될 수 있다.
안전 벤트(410)는 전류가 통하는 박막 구조물로써, 원판형 플레이트일 수 있다. 안전 벤트(410), 전류 차단 부재(420) 및 제1 전극탭(213)들이 차례로 연결되어, 안전 벤트(410)가 전극 조립체(200)의 전기적 연결을 안내하는 전극 단자로써 기능할 수 있다.
본 실시예에 따른 전류 차단 부재(420)는 전류가 통하는 판재 부재로써, 가스의 배출을 위한 관통구(420H)들이 형성될 수 있다. 또한, 전류 차단 부재(420)는, 안전 벤트(410)와 연결된 제1 부분(421) 및 제1 전극탭(213)과 연결된 제2 부분(422)을 포함할 수 있으며, 제1 부분(421)은 전류 차단 부재(420)의 중심 부분에 위치하고, 제2 부분(422)은 전류 차단 부재(420)의 외주 부분에 위치할 수 있다.
이차전지(100)의 내압이 상승할 경우, 안전 벤트(410)의 형상이 역전될 수 있다. 안전 벤트(410)의 형상 역전에 따라, 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)이 함께 상승되어, 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)과 제2 부분(422)이 서로 분리될 수 있다. 내압 상승에 따른 이러한 분리를 유도하기 위해 제1 부분(421)과 제2 부분(422) 사이는 다소 약한 강도를 갖도록 설계될 수 있다. 제1 부분(421)과 제2 부분(422)의 분리에 의해, 안전 벤트(410)와 제1 전극탭(213) 사이의 전류가 차단된다.
또한, 구체적으로 도시하지 않았으나, 안전 벤트(410)에 일종의 홈(groove)과 같은 노치 구조가 마련될 수 있다. 내압 상승에 따라, 이러한 노치 구조가 끊어지거나 찢어지면서 안전 벤트(410)가 열리게 되고, 내부 가스가 배출된다. 종래의 원통형 이차전지(10, 도 1 참고)의 경우, 상단 캡(41)이 안전 벤트(42) 상에 위치해 있기 때문에 공간적인 부분이 열위하여 안전 벤트(42)가 완전히 열리지 못한다. 이에 가스가 효과적으로 배출되지 못 한다. 또한 상단 캡(41) 자체가 가스 배출에 방해가 될 수 있다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 이차전지(100)는 상단 캡 없이 안전 벤트(410)가 상단에서 외부로 노출되어 있기 때문에 내압 상승 시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리가 자유롭게 이루어질 수 있다. 따라서 종래의 원통형 이차전지(10)와 비교하여 가스 배출에 더 효과적이다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 배출홀(410H)과 블록(500)의 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
상술한 바 대로, 안전 벤트(410)에는 관통된 형태의 배출홀(410H)이 형성되고, 그 배출홀(410H)에 블록(500)이 채워진다. 일례로, 배출홀(410H)은 원형의 관통구일 수 있으며, 블록(500)은 볼(Ball) 형태일 수 있다. 볼 형태의 블록(500)이 배출홀(410H)에 볼 용접(Ball welding)으로 접합될 수 있다. 여기서 볼 용접이라 함은, 볼 형태의 구성을 상기 볼보다 직경이 작은 구멍에 발사하여, 상기 구멍을 막는 접합 방식을 의미한다. 즉, 후술하겠으나, 배출홀(410H)에 채워지기 전 볼 형태의 블록(500)의 직경은 배출홀(410H)의 내경보다 클 수 있다. 이러한 블록(500)을 강하게 발사하여 배출홀(410H)에 억지로 삽입시킴으로써, 배출홀(410H)을 막을 수 있다.
상술한 바 대로, 리튬 이차전지는 제조 과정에서 화성(formation) 공정, 즉 활성화 공정을 수행한다. 이러한 활성화 공정은 일반적으로 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충방전을 반복하는 것으로 진행된다. 이러한 활성화 공정에서, 전극 피막 형성이나 셀 내부 수분의 분해로 인해 다량의 가스가 발생하는데, 활성화 공정에서 발생한 가스는 양도 많고 전극 피막과 지속적으로 반응하기 때문에 이를 배출시켜주는 공정이 필요하다. 이를 가스 배출 또는 탈기(degas) 공정이라고 한다.
본 실시예에 따른 이차전지(100)는, 안전 벤트(410)에 형성된 배출홀(410H)을 통해 후술하는 프리 활성화 공정 또는 활성화 공정에서 발생한 가스를 외부로 배출할 수 있다. 구체적으로, 전지 케이스(300)와 캡 조립체(400)를 결합한 이차전지(100)에 대해 상기 프리 활성화 공정 또는 상기 활성화 공정을 실시하고, 상기 공정에서 발생한 가스를 배출홀(410H)을 통해 외부로 배출시킨다. 가스의 배출이 완료되면, 상술한 볼 용접의 방법으로 배출홀(410H)에 블록(500)을 채워 이차전지(100)를 밀봉할 수 있다. 본 실시예에 따른 이차전지(100)는, 전지 케이스(300) 내부의 가스를 용이하게 배출할 수 있어, 내압 증가 및 성능 저하를 방지할 수 있다. 다시 말해, 가스로 인한 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제 등을 해결할 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 안전 벤트(410)는 상단 캡의 제거에 따라 외부로 노출되는 구조이기 때문에 가스 배출을 위한 배출홀(410H)을 형성하기 용이하다. 종래의 원통형 이차전지(10, 도 1 참고)의 경우, 상단 캡(41)이 존재하기 때문에 가스의 배출을 위해 마련한 배출홀을 가스 배출 이후에 다시 막는 것이 구조적으로 상당히 어렵다. 가스 배출을 위해서는 상단 캡(41)과 안전 벤트(42) 모두에 배출홀이 형성되어야 하는데, 상단 캡(41)의 존재로 인해 안전 벤트(42)에 형성된 배출홀을 막는 것이 구조적으로 복잡하고 어려울 수밖에 없다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 캡 조립체(400)는 안전 벤트(410)가 최상단에 노출된 구조이기 때문에 가스 배출 이후에 배출홀(410H)을 밀봉하기 용이하다. 앞서 설명한 기계적 접합 방식인 볼 용접(Ball welding)도 제한 없이 적용될 수 있다.
한편, 이러한 배출홀(410H)의 개수에는 특별한 제한이 없다. 가스 배출 정도를 고려하여 단수 또는 복수로 구성될 수 있다.
한편, 도 5를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 케이스(300)는 크림핑부(300C) 및 비딩부(300B)를 포함할 수 있다. 비딩부(300B)는 원통형의 전지 케이스(300) 중 일부가 전극 조립체(200)의 중심 방향으로 만입된 부분을 지칭하는 것으로, 전극 조립체(200)의 유동 방지를 위한 것이다.
크림핑부(300C)는 비딩부(300B)의 상부에 위치하여, 캡 조립체(400)를 감싸는 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(400)의 안정적인 결합을 위한 것이다. 전지 케이스(300)의 상부 일단이 구부러져 캡 조립체(400)를 감싸며 크림핑부(300C)를 형성할 수 있다. 보다 구체적으로는, 전지 케이스(300)의 상부 일단이 구부러져 안전 벤트(410)의 외주 부분을 감싸며 크림핑부(300C)를 형성할 수 있다.
밀봉용 가스켓(700)은 크림핑부(300C)와 비딩부(300B)의 내면에 장착되어 캡 조립체(400)와 전지 케이스(300) 간의 밀봉력을 증대시킬 수 있다. 즉, 전지 케이스(300)와 캡 조립체(400) 사이에 가스켓(700)을 위치시키고, 전지 케이스(300)의 상부 일단을 구부려 크림핑(Crimping) 결합을 실시하여 크림핑부(300C)를 형성할 수 있다. 즉, 크림핑 결합에 의해 캡 조립체(400)의 장착 및 이차전지(100)의 밀봉이 이루어질 수 있다. 이러한 가스켓(700)은 크림핑부(300C)와 안전 벤트(410) 사이에 위치할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 안전 벤트(410)에는 굴곡부(410B)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 안전 벤트(410)의 일 부분이 상향하는 방향으로 휘어져 굴곡부(410B)가 형성될 수 있다. 이러한 굴곡부(410B)가 형성되어, 크림핑 결합 시 안전 벤트(410)로 전달되는 변형을 줄일 수 있다. 또한, 상술한 바 대로, 비정상적인 작동 상태에서 안전 벤트(410)의 형상 역전에 따라, 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)이 함께 상승되어, 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)과 제2 부분(422)이 서로 분리된다. 이로써 전류의 흐름이 차단되는데, 효과적인 전류 차단을 위해 안전 벤트(410)와 전류 차단 부재(420) 사이에 어느 정도의 간격이 형성되는 것이 바람직하다. 이에, 캡 조립체(400) 자체의 높이는 최소화하면서 안전 벤트(410)와 전류 차단 부재(420) 간의 간격을 늘리기 위해 상향하는 방향으로 휘어진 굴곡부(410B)를 형성할 수 있다.
한편, 상술한 크림핑 결합의 경우, 강한 물리적 압착이 캡 조립체(400)에 인가될 수 있고, 이에 따라 캡 조립체(400)가 손상되는 문제가 있을 수 있다. 특히, 본 실시예에서와 같이, 상단 캡 없이 안전 벤트(410)가 노출되는 구조에서 안전 벤트(410)가 손상될 우려가 있다. 그렇다고 안전 벤트(410)의 강성 보완을 위해 안전 벤트(410)의 두께를 기존보다 두껍게 형성한다면, 내압 상승 시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리 등이 제대로 구현되지 않을 가능성이 높다.
본 실시예에 따른 캡 조립체에서는, 단순히 안전 벤트(410)의 두께를 두껍게 하는 것이 아닌, 안전 벤트(410) 중 크림핑부(300C)와 대응하는 부분에 컬링부(410C, Curling part)를 마련할 수 있다. 구체적으로, 안전 벤트(410)는 안전 벤트(410)의 외주 부분에서 구부러진 컬링부(410C)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 도 3 및 도 4에는 컬링부(410C)가 형성되기 이전에 플랜지부(410F, Flange part)의 모습을 나타내었고, 도 5에서는 플랜지부(410F)가 안쪽으로 구부러져 컬링부(410C)를 형성한 모습을 나타내었다.
전지 케이스(300)의 크림핑부(300C)가 가스켓(700)을 사이에 두고 안전 벤트(410)를 감쌀 수 있는데, 그 중에서도 안전 벤트(410)의 컬링부(410C)를 감싸며 크림핑 결합이 이루어질 수 있다. 이에 안전 벤트(410)의 중심 부분은 1겹으로 이루어지나, 크림핑부(300C)가 감싸는 안전 벤트(410)의 외주 부분은 2겹으로 이루어질 수 있다. 즉, 컬링부(410C)를 마련함으로써, 크림핑 결합 시 발생할 수 있는 안전 벤트(410)의 손상을 방지함과 동시에 내압 상승시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리 등에 방해가 되지 않고자 하였다.
한편, 배출홀(410H)의 위치에 특별한 제한이 있는 것은 아니나, 가스 배출에 제약이 없는 곳이 바람직하다. 일례로, 본 실시예에 따른 배출홀(410H)은, 안전 벤트(410)의 중심 부분과 외주 부분 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 안전 벤트(410)의 중심 부분은 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)과 연결되는 부분을 의미하고, 안전 벤트(410)의 외주 부분은 컬링부(410C)가 형성된 부분을 의미한다.
이하에서는, 도 6 내지 도 9 등을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법에 자세히 설명하도록 한다. 다만, 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분은 설명의 반복을 피하기 위해 생략하도록 한다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들로써, 이차전지의 상부에 대한 단면을 나타내었다.
우선, 도 3 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전극 조립체(200)를 상부가 개방된 전지 케이스(300)에 수납하는 단계 및 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 배출홀(410H)이 형성된 캡 조립체(400)를 결합하는 단계를 포함한다. 이때, 상술한 바 대로, 전극 조립체(200)는 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)이 함께 권취되어 젤리롤 형태일 수 있고, 전지 케이스(300)는 원통형 케이스일 수 있다. 또한, 캡 조립체(400)의 결합 이전에 전극 조립체(200)와 함께 전해액을 전지 케이스(300) 내부에 주입할 수 있다.
캡 조립체(400)는 상단에서 외부로 노출된 안전 벤트(410)를 포함하고, 이러한 안전 벤트(410)에 배출홀(410H)이 형성된다. 안전 벤트(410)와 배출홀(410H)의 구체적인 구조는 앞서 설명한 내용이므로 생략하도록 한다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 상기 캡 조립체(400)를 결합하는 단계는, 전지 케이스(300)의 상부 일단(300U)을 구부려 안전 벤트(410)를 감싸는 크림핑부(300C)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 가스켓(700)을 캡 조립체(400)의 안전 벤트(410)와 전지 케이스(300) 사이에 위치시키고, 전지 케이스(300)의 상부 일단(300U)을 구부려 크림핑 결합을 실시할 수 있다.
이 때, 안전 벤트(410)는 안전 벤트(410)의 외주 부분에서 구부러진 컬링부(410C)를 포함할 수 있고, 크림핑부(300C)가 컬링부(410C)를 감싸도록 크림핑 결합이 이루어질 수 있다. 이러한 컬링부(410C)는 상향하는 플랜지부(410F, 도 4 참고)를 안쪽으로 구부림으로써 형성될 수 있다.
다음, 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전지 케이스(300) 내부의 가스를 배출홀(410H)을 통해 외부로 배출하는 가스 배출 단계를 포함한다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전지 케이스(300)에 수납된 전극 조립체(200)를 사전에 활성화하는 프리 활성화(Pre-activation) 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 프리 활성화 단계는 활성화 단계 이전에 가스를 미리 배출하기 위해 실시하는 공정이다. 즉, 상기 프리 활성화 단계는 가스 발생을 목적으로 활성화 단계 이전에 실시하는 공정으로써, 일례로 상기 프리 활성화 단계에서는 낮은 SOC(state of charge)에서의 충전만 이루어질 수 있다. 그러나, 상기 프리 활성화 단계의 구체적 내용은, 모델에 따라 달라질 수 있고, 다른 실시예로써 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충, 방전을 반복하는 형태일 수 있다.
상기 프리 활성화 단계에서, 전극 단자로 기능하는 안전 벤트(410)와 전지 케이스(300)를 통해 충전을 실시하거나 충, 방전을 반복할 수 있다. 크림핑 결합에 의해 캡 조립체(400)가 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 결합된 이후, 상기 프리 활성화 단계가 이루어질 수 있다. 상기 가스 배출 단계에서, 상기 프리 활성화 단계에서 발생한 가스가 배출홀(410H)을 통해 이차전지(100) 내부에서 외부로 배출될 수 있다. 즉, 배출홀(410H)이 개방된 상태에서 상기 프리 활성화 단계가 진행되고, 그 과정에서 발생한 가스가 배출홀(410H)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
다음, 도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 배출홀(410H)에 블록(500)을 채우는 밀봉 단계를 포함한다. 상기 밀봉 단계에서, 배출홀(410H)에 블록(500)을 볼 용접으로 접합시킬 수 있다. 배출홀(410H)은 원형의 관통구일 수 있으며, 블록(500)은 볼(Ball) 형태일 수 있다. 볼 형태의 블록(500)이 배출홀(410H)에 볼 용접(Ball welding)으로 접합될 수 있다.
구체적으로, 배출홀(410H)의 내경(d1)보다 볼 형태의 블록(500)의 직경(d2)이 더 클 수 있는데, 이러한 블록(500)이 배출홀(410H)에 강하게 발사되어, 블록(500)이 배출홀(410H)에 삽입될 수 있다. 이러한 억지 삽입 방식의 볼 용접을 이용해 배출홀(410H)을 밀봉할 수 있다.
상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 이차전지(100)는 상단 캡이 제거되고 안전 벤트(410)가 최상단에 노출된 구조이기 때문에 가스 배출 이후에 상기 볼 용접의 방법을 이용하여 배출홀(410H)을 밀봉하기 용이하다.
다음 도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전극 조립체(200)를 활성화하는 활성화 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 활성화 단계는, 상기 밀봉 단계 이후에 이루어질 수 있다. 즉, 프리 활성화 단계에서 발생한 가스를 배출시킨 후에 배출홀(410H)을 상기 밀봉 단계에서 밀봉한다. 이렇게 이차전지(100)가 완전히 밀봉된 상태에서 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충, 방전을 반복하여 상기 활성화 단계가 이루어질 수 있다. 활성화 단계는, 음극 표면에서의 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막의 형성 및 저전압 선별 등을 목적으로, 충전과 방전을 반복 수행하는 공정이다. 전극 단자로 기능하는 안전 벤트(410)와 전지 케이스(300)에 정전류 또는 정전압을 인가하여, 충, 방전을 반복할 수 있다.
위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차전지(100)는 상기 프리 활성화 단계를 진행하고, 해당 과정에서 발생한 가스를 배출시킴으로써, 잔존 가스로 인한 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제를 해결할 수 있다.
이하에서는, 도 10 내지 도 13 등을 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법에 자세히 설명하도록 한다. 다만, 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분은 설명의 반복을 피하기 위해 생략하도록 한다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들로써, 이차전지의 상부에 대한 단면을 나타내었다.
우선, 도 3 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전극 조립체(200)를 상부가 개방된 전지 케이스(300)에 수납하는 단계 및 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 배출홀(410H)이 형성된 캡 조립체(400)를 결합하는 단계를 포함한다. 상기 단계는 앞서 설명한 내용과 동일하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
다음, 도 10 및 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 배출홀(410H)을 임시로 밀봉하는 임시 밀봉 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 배출홀(410H)을 임시로 막기 위해 커버 부재(600)로 배출홀(410H)을 덮을 수 있다. 일례로, 배출홀(410H)의 직경과 대응하는 부분을 갖는 커버 부재(600)를 배출홀(410H)에 삽입시킬 수 있다.
다음, 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 전극 조립체(200)를 활성화하는 활성화 단계를 포함할 수 있다. 상기 활성화 단계는 상기 임시 밀봉 단계 이후에 이루어질 수 있다. 커버 부재(600)에 의해 배출홀(410H)이 임시로 밀봉된 상태에서, 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충, 방전을 반복하는 것으로 상기 활성화 단계가 진행될 수 있다. 상기 활성화 단계는, 음극 표면에서의 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막의 형성 및 저전압 선별 등을 목적으로, 충전과 방전을 반복 수행하는 공정이다.
다음, 도 12를 참고하면, 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 배출홀(410H)의 임시 밀봉 상태를 해제하는 임시 밀봉 해제 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 커버 부재(600)를 배출홀(410H)로부터 제거하여 배출홀(410H)을 다시 개방할 수 있다. 상기 임시 밀봉 해제 단계는 상기 활성화 단계 이후에 이루어질 수 있다.
상기 가스 배출 단계에서, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스가 배출홀(410H)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 상기 가스 배출 단계는 상기 임시 밀봉 해제 단계와 동시에 또는 상기 임시 밀봉 해제 단계 직후에 이루어질 수 있다. 다시 말하면, 임시 밀봉 해제 단계를 통해 배출홀(410H)을 다시 개방하면서, 상기 활성화 단계 동안 이차전지(100) 내부에서 발생한 가스가 배출홀(410H)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
다음 도 13을 참고하면, 배출홀(410H)에 블록(500)을 채우는 밀봉 단계가 이어질 수 있다. 상기 밀봉 단계는 상기 가스 배출 단계 이후에 이루어질 수 있다.
상기 밀봉 단계에서, 배출홀(410H)에 블록(500)을 볼 용접으로 접합시킬 수 있다. 배출홀(410H)은 원형의 관통구일 수 있으며, 블록(500)은 볼(Ball) 형태일 수 있다. 블록(500)이 배출홀(410H)에 강하게 발사되고, 블록(500)이 배출홀(410H)에 삽입될 수 있다. 즉, 볼 용접(Ball welding)이 이루어질 수 있다. 이러한 밀봉 단계는, 앞서 도 8을 참고하여 설명한 내용과 상호 동일 내지 유사할 수 있다. 설명의 반복을 피하기 위해 상기 밀봉 단계에 대한 더 이상의 설명은 생략하도록 한다.
위와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 제조된 이차전지(100)는 활성화 단계에서 발생한 가스를 배출하고나서 최종적으로 밀봉됨으로써, 잔존 가스로 인한 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제를 해결할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차전지가 복수로 모여 전지 모듈을 형성할 수 있다. 상기 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 이차전지, 상기 전지 모듈 또는 상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
100: 이차전지
400: 캡 조립체
410: 안전 벤트
410H: 배출홀
500: 블록

Claims (15)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및
    상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 캡 조립체는, 상단에서 외부로 노출된 안전 벤트를 포함하고,
    상기 안전 벤트에 배출홀이 형성되며,
    상기 배출홀에 블록이 채워진 이차전지.
  2. 제1항에서,
    상기 블록은 상기 배출홀에 볼 용접(Ball welding)으로 접합되는 이차전지.
  3. 제1항에서,
    상기 전지 케이스의 상부 일단이 구부러져 상기 안전 벤트의 외주 부분을 감싸며 크림핑부를 형성하는 이차전지.
  4. 제3항에서,
    상기 안전 벤트는, 상기 안전 벤트의 상기 외주 부분에서 구부러진 컬링부를 포함하고,
    상기 크림핑부가 상기 컬링부를 감싸며 크림핑 결합이 이루어지는 이차전지.
  5. 제4항에서,
    상기 캡 조립체는 상기 안전 벤트 아래에 위치한 전류 차단 부재를 포함하고,
    상기 안전 벤트의 중심 부분과 상기 전류 차단 부재가 서로 연결되며,
    상기 배출홀은, 상기 안전 벤트의 상기 중심 부분과 상기 외주 부분 사이에 위치하는 이차전지.
  6. 전극 조립체를 상부가 개방된 전지 케이스에 수납하는 단계;
    상기 전지 케이스의 개방된 상부에 배출홀이 형성된 캡 조립체를 결합하는 단계;
    상기 전지 케이스 내부의 가스를 상기 배출홀을 통해 외부로 배출하는 가스 배출 단계; 및
    상기 배출홀에 블록을 채우는 밀봉 단계를 포함하고,
    상기 캡 조립체는, 상단에서 외부로 노출된 안전 벤트를 포함하며,
    상기 안전 벤트에 상기 배출홀이 형성되는 이차전지의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 밀봉 단계에서, 상기 배출홀에 상기 블록을 볼 용접으로 접합시키는 이차전지의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 배출홀의 내경보다 상기 블록의 직경이 더 크고,
    상기 블록이 상기 배출홀에 발사되어, 상기 블록이 상기 배출홀에 삽입되는 이차전지의 제조 방법.
  9. 제6항에서,
    상기 캡 조립체를 결합하는 단계는, 상기 전지 케이스의 상부 일단을 구부려 상기 안전 벤트를 감싸는 크림핑부를 형성하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 안전 벤트는, 상기 안전 벤트의 외주 부분에서 구부러진 컬링부를 포함하고,
    상기 크림핑부가 상기 컬링부를 감싸도록 크림핑 결합이 이루어지는 이차전지의 제조 방법.
  11. 제6항에서,
    상기 전극 조립체를 사전에 활성화하는 프리 활성화(Pre-activation) 단계를 더 포함하고,
    상기 가스 배출 단계에서, 상기 프리 활성화 단계에서 발생한 가스가 상기 배출홀을 통해 외부로 배출되는 이차전지의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 전극 조립체를 활성화하는 활성화 단계를 더 포함하고,
    상기 활성화 단계는, 상기 밀봉 단계 이후에 이루어지는 이차전지의 제조 방법.
  13. 제6항에서,
    상기 배출홀을 임시로 밀봉하는 임시 밀봉 단계;
    상기 전극 조립체를 활성화하는 활성화 단계; 및
    상기 배출홀의 임시 밀봉 상태를 해제하는 임시 밀봉 해제 단계를 더 포함하고,
    상기 가스 배출 단계에서, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스가 상기 배출홀을 통해 외부로 배출되는 이차전지의 제조 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 가스 배출 단계는 상기 임시 밀봉 해제 단계와 동시에 또는 상기 임시 밀봉 해제 단계 직후에 이루어지는 이차전지의 제조 방법.
  15. 제13항에서,
    상기 밀봉 단계는, 상기 가스 배출 단계 이후에 이루어지는 이차전지의 제조 방법.
PCT/KR2022/003519 2021-04-08 2022-03-14 이차전지 및 이의 제조 방법 WO2022215881A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280007375.3A CN116472638A (zh) 2021-04-08 2022-03-14 二次电池及该二次电池的制造方法
EP22784791.0A EP4228072A1 (en) 2021-04-08 2022-03-14 Secondary battery and manufacturing method of same
JP2023526971A JP2023548187A (ja) 2021-04-08 2022-03-14 二次電池およびその製造方法
US18/037,285 US20240006707A1 (en) 2021-04-08 2022-03-14 Secondary battery and manufacturing method of the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2021-0045794 2021-04-08
KR1020210045794A KR20220139619A (ko) 2021-04-08 2021-04-08 이차전지 및 이의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022215881A1 true WO2022215881A1 (ko) 2022-10-13

Family

ID=83546128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/003519 WO2022215881A1 (ko) 2021-04-08 2022-03-14 이차전지 및 이의 제조 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240006707A1 (ko)
EP (1) EP4228072A1 (ko)
JP (1) JP2023548187A (ko)
KR (1) KR20220139619A (ko)
CN (1) CN116472638A (ko)
WO (1) WO2022215881A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102585468B1 (ko) 2023-03-20 2023-11-21 주식회사 코에원텍 단열성을 갖는 광경화시트 제조방법 및 그 제품

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100319111B1 (ko) * 1999-11-25 2001-12-29 김순택 각형 이차 전지의 캡 어셈블리
KR20070067779A (ko) * 2005-12-23 2007-06-29 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차전지 및 그 제조방법
CN201069809Y (zh) * 2007-05-23 2008-06-04 东莞新能源电子科技有限公司 一种柱形锂离子电池结构
KR20190056567A (ko) * 2017-11-17 2019-05-27 주식회사 엘지화학 이차전지
KR20200078640A (ko) * 2017-12-14 2020-07-01 삼성에스디아이 주식회사 원통형 이차 전지

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100319111B1 (ko) * 1999-11-25 2001-12-29 김순택 각형 이차 전지의 캡 어셈블리
KR20070067779A (ko) * 2005-12-23 2007-06-29 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차전지 및 그 제조방법
CN201069809Y (zh) * 2007-05-23 2008-06-04 东莞新能源电子科技有限公司 一种柱形锂离子电池结构
KR20190056567A (ko) * 2017-11-17 2019-05-27 주식회사 엘지화학 이차전지
KR20200078640A (ko) * 2017-12-14 2020-07-01 삼성에스디아이 주식회사 원통형 이차 전지

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023548187A (ja) 2023-11-15
CN116472638A (zh) 2023-07-21
US20240006707A1 (en) 2024-01-04
EP4228072A1 (en) 2023-08-16
KR20220139619A (ko) 2022-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012018200A2 (ko) 안전성이 향상된 이차전지용 파우치 및 이를 이용한 파우치형 이차전지, 중대형 전지팩
WO2014133275A1 (ko) 이차 전지 및 그 제조 방법
WO2011115464A2 (ko) 파우치형 케이스 및 이를 포함하는 전지팩
WO2022080908A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
WO2014030910A1 (ko) 전지모듈 어셈블리 및 그 제조방법
WO2019009625A1 (ko) 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2018056562A1 (ko) 엠보싱 처리된 안전벤트를 갖는 이차 전지
WO2013129844A1 (ko) 안전성이 향상된 전지셀 어셈블리 및 이를 포함하는 전지모듈
WO2020116856A1 (ko) 벤팅 부재를 포함하는 파우치형 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩
WO2021125504A1 (ko) 이차 전지
WO2019045256A1 (ko) 벤팅 유도 장치를 포함하는 파우치형 이차전지
WO2021235751A1 (ko) 배터리 모듈, 그것을 포함하는 배터리 팩, 및 자동차
WO2020175773A1 (ko) 벤팅 장치
WO2019245125A1 (ko) 벤팅 장치 및 그의 제조 방법
WO2022071759A1 (ko) 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스
WO2022215881A1 (ko) 이차전지 및 이의 제조 방법
WO2015190848A1 (ko) 전기화학 소자 및 이의 제조방법
WO2020197040A1 (ko) 버스 바 모듈과 그 제조 방법
WO2022154431A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
WO2018199511A1 (ko) 전도성 폴리머를 이용한 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지
WO2022092662A1 (ko) 캡 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지
WO2022031065A1 (ko) 이차전지
WO2021153922A1 (ko) 이차전지 및 이차전지의 제조 방법
WO2017222261A1 (ko) 이차 전지
WO2022255673A1 (ko) 이차 전지 및 이의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22784791

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023526971

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280007375.3

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18037285

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022784791

Country of ref document: EP

Effective date: 20230509

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE