KR100735657B1 - 이차전지 전해액 주입장치 및 주입방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지 전해액을 이차전지 케이스 속에 주입하는 장치 및 방법에 관련되는 것이며, 특히 높은 진공도에서 이차전지 케이스의 손상없이 고속으로 전해액을 주입할 수 있도록 하여 작업능률을 극대화할 수 있도록 한 기술이며, 이를 위해 전해액주입공이 개구된 이차전지 케이스가 장착되는 홀더가 상면에 설치되고 상하로 이동되는 하부플레이트와; 하부가 개구되어 내부에 빈 공간을 형성하며 측면에 배기구가 갖추어지고 기둥에 연결되어 상기 하부플레이트의 상부에 위치되고 상기 하부플레이트와 결합하므로서 상기 이차전지 케이스를 수용하게 되는 챔버와; 상기 챔버의 상측에 위치되어 상하로 이동되며 상기 전해액주입공과 연결된 후 전해액이 공급되며 이어서 압축공기로 전해액을 가압하는 상태에서 플런저를 개방시켜 상기 전해액을 전해액주입공을 통하여 이차전지 케이스 내부로 주입하게 되는 인젝션부;로 구성됨을 특징으로 하는 이차전지 전해액 주입장치 및 이와 관련되는 주입방법에 관한 것이다.

이차전지 케이스 전해액 주입 챔버 인젝션부 고속주입 고진공

Description

이차전지 전해액 주입장치 및 주입방법{electrolyte injection apparatus and method of secondary battery}

도 1 - 종래기술에 따른 전지용 전해액 주입장치의 단면도.

도 2 - 본 발명에 따른 이차전지 전해액 주입장치의 일 실시예를 보여주는 개략적인 사시도.

도 3 - 도2의 내부구조를 보여주는 단면도.

도 4 - 전해액이 주입될 이차전지 케이스의 개략적인 형태를 보여주는 사시도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

100 : 하부플레이트 110 : 홀더

200 : 챔버 300 : 인젝션부

310 : 전달체 320 : 덮개

330 : 플런저 340 : 브라켓

본 발명은 이차전지 전해액을 이차전지 케이스에 주입하는 방법 및 장치와 관련되는 것으로서, 보다 구체적으로는 고진공 상태에서 전해액을 주입하므로 신속하게 주입할 수 있고 이차전지 케이스의 손상도 방지할 수 있도록 한 것이다.

본 발명과 관련한 종래기술로서 대한민국 특허등록번호 제477726호의 전지용 전해액 주입장치가 공지된 바 있으며, 도1은 이에 대한 개략적인 단면도를 보여준다.

상기 종래기술의 구성을 보면, 전지가 장착되도록 공간부를 제공하는 상부 본체와 하부 본체, 상기 상부 본체에 설치되는 노즐부 및 상기 노즐부에 설치되고 상기 전지의 상단에 형성된 비딩부에 그 가장자리가 밀착되고 상기 전지의 양극 탭이 관통하도록 그 둘레를 따라서 단속적으로 형성된 홈부를 구비하는 플레이트를 포함하여 구성되는 전지용 전해액 주입장치이다.

이러한 구성을 가지는 전지용 전해액 주입장치의 작용을 보면, 전지(10)가 상기 하부 본체(22)에 인입된 다음 상부 본체(21)가 하부 본체(22)와 결합되어 밀봉부재(26)에 의하여 주입장치(20) 내부가 밀봉된다. 이때 상기 노즐부(23)는 전지(10)의 맨드렐(12) 내부로 인입되고 상기 원형 플레이트(24)는 비딩부(11a)상에 안착된다. 이어서 상기 상부 본체(21)에 마련된 진공수단을 통하여 주입장치(20) 내부를 진공시키고 전지(10)내에 전해액을 분사하여 주입하게 된다.

상기 종래기술에서는 노즐부를 전지에 결합한 후 주입장치 내부만을 진공화시키므로 높은 진공도를 유지할 수가 없다. 즉, 전지 내부는 공기가 그대로 잔류하므로 주입장치 내부만을 고진공으로 형성하게 되면 전지 내외부의 압력이 달라 전지에 손상이 유발될 수 있다는 문제점이 있다.

그리고 언급한 종래기술이 목적하는 바는 전해액 주입공정 중 전해액이 양극 탭과 비딩부에 묻지않도록 하기 위해 비딩부 상면을 덮는 원형 플레이트를 두도록 함을 특징으로 하므로 이미 전지로서의 형태를 갖추고 단지 전해액만을 주입하고자 하는 경우에는 종래기술을 사용할 수 없다는 문제점도 있다.

특히, 지금까지의 기술에서는 전해액을 주입하는데 많은 시간이 소요되었으므로 생산성이 떨어진다는 문제점이 대두되어 이를 해결하기 위한 기술적 필요성이 요구되고 있었다.

따라서, 상기와 같은 필요성과 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 높은 진공도를 유지한 상태에서 고속도로 전해액을 주입할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 이처럼 고속으로 전해액을 주입하더라도 이차전지 케이스에는 손상을 일으키지 않으면서 전해액 주입작업이 이루어지도록 함을 또 다른 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적달성을 위한 본 발명은, 전해액주입공이 개구된 이차전지 케이스가 장착되는 홀더가 상면에 설치되고 상하로 이동되는 하부플레이트와; 하부가 개구되어 내부에 빈 공간을 형성하며 측면에 배기구가 갖추어지고 기둥에 연결되어 상기 하부플레이트의 상부에 위치되고 상기 하부플레이트와 결합하므로서 상기 이차전지 케이스를 수용하게 되는 챔버와; 상기 챔버의 상측에 위치되어 상하로 이동되며 상기 전해액주입공과 연결된 후 전해액이 공급되며 이어서 압축공기로 전해액을 가압하는 상태에서 플런저를 개방시켜 상기 전해액을 전해액주입공을 통하여 이차전지 케이스 내부로 주입하게 되는 인젝션부;로 구성됨을 특징으로 하는 이차전지 전해액 주입장치에 관한 것이다.

그리고 상기 인젝션부는, 챔버 내부로까지 형성되며 그 하단부가 전해액주입공과 연결되고 내부에 단면이 급변하는 개폐구가 형성되고 외면에는 전해액공급구가 구비되는 전달체와; 상기 전달체의 상단부와 연결되고 중심부는 천공되는 덮개와; 상단부는 덮개으로부터 돌출되고 상기 덮개에 의해 일단이 지지되는 스프링이 게재되어 상하로 움직이면서 상기 개폐구를 단속하는 플런저와; 상기 기둥과 연결되는 브라켓실린더에 결합되며 하단부는 상기 전달체의 외면을 감싸 고정하고, 상단부에는 플런저와 연결되는 플런저실린더가 설치되는 브라켓;으로 구성됨을 특징으로 하는 이차전지 전해액 주입장치에 관한 것이다.

한편, 본 발명은 이차전지 케이스를 밀폐되는 챔버 속에 위치시키는 포지셔닝단계와; 챔버 내부와 이차전지 케이스 내부에 대해 동시에 공기를 배출시켜 이차전지 케이스 내외부 압력을 동일하게 하는 진공형성단계와; 이차전지 케이스에 형성된 전해액주입공을 통하여 압축공기에 의해 가압된 전해액을 주입하며 동시에 챔버 내부에도 이에 상응하는 압력이 형성되도록 공기를 공급하는 전해액주입단계와; 챔버 내부에 형성된 높은 압력을 서서히 감소시킨 후 챔버를 열게되는 개방단계;로 구성됨을 특징으로 하는 이차전지 전해액 주입방법에 관한 것이다.

그리고 상기 진공형성단계는, 챔버 및 이차전지 케이스 내부를 5~15 torr의 진공도로 유지함을 특징으로 하는 이차전지 전해액 주입방법에 관한 것이다.

이하 본 발명에 따른 이차전지 전해액 주입장치 및 주입방법에 관해 관련도면을 참조하면서 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 그리고 여기에 첨부되는 도면은 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 돕기 위해 실시예로서 구체화한 것이며 본 발명의 보호범위가 도면에 한정되는 것은 아니고, 기술적 사상에 있는 것인 바, 단순한 설계변경 등도 본 발명에 속하게 되는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 하며, 도2는 본 발명의 일 실시예를 보여주는 개략적인 사시도이고, 도3은 내부구조를 보여주는 단면도에 해당된다.

본 발명에 따른 이차전지 전해액 주입장치는 크게 하부플레이트(100), 챔버(200) 및 인젝션부(300)로 구성되며, 전해액을 주입하고자 하는 이차전지 케이스(10)는 그 내부에 이미 양극판과 음극판 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터가 설치되어 있으며 캡이 결합되어 전해액주입 후에는 밀폐시키게 된다.

첨부되는 도4는 전해액이 주입될 이차전지 케이스의 개략적인 형태를 보여주는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 각 형상의 이차전지 케이스(10)의 상부에는 캡(15)이 결합되어 있으며, 상기 캡의 일측으로 내외부를 관통하는 전해액주입공(17)이 구비된다.

상기 하부플레이트(100)는 그 상부면에 이차전지 케이스(10)가 장착되는 홀더(110)가 결합되어져 있으며, 하부플레이트는 메인실린더(120)의 피스톤과 연결되어 상하로 움직이게 된다.

그리고 하부플레이트(100)의 상면 가장자리에는 후술할 챔버(200)와 결합시 밀폐를 이루도록 오링(130)이 갖추어져 있다.

한편, 상기 하부플레이트의 상부에 챔버가 고정설치된다. 상기 챔버(200)는 하부가 개구되어 내부에는 빈 공간을 가지게 되며 측면에는 배기구(210)가 형성된다.

그리고 상기 챔버는 상기 메인실린더가 장착되는 프레임(80)으로부터 수직하게 설치되는 기둥(90)과 결합되어져 있다.

하부플레이트(100)에 이차전지 케이스(10)가 장착되면 상기 하부플레이트가 상승하여 챔버와 결합되며 따라서 상기 이차전지 케이스는 챔버 내부에 수용된다.

다음으로 인젝션부에 대해 설명하기로 한다.

상기 인젝션부(300)는 챔버(200)의 상측에 설치되며 이차전지 케이스(10)에 구비되는 전해액주입공(17)을 통하여 이차전지 케이스 내부로 압축공기에 의해 고압으로 가압된 전해액을 주입하게 된다.

전해액을 주입하기에 앞서 밀폐된 챔버의 내부 및 이차전지 케이스의 내부에 대해 동시에 고진공 상태로 배기를 실시해야 한다. 바람직한 진공도는 10^-7~10^-1torr 정도까지 진공화함이 적합하다.

보다 구체적인 인젝션부의 구성에 대해 설명하기로 하며, 상기 인젝션부(300)는 전달체(310), 덮개(320), 플런저(330), 브라켓(340)으로 구성된다.

먼저, 상기 전달체(310)는 챔버(200)의 상부로부터 수직방향으로 배치되어 챔버 내부로 이어지며 그 하단부가 이차전지 케이스(10)의 전해액주입공(17)과 연결된다. 그리고 상기 전달체(310)의 내부에도 원통형의 빈 공간이 구비되며 특히 하부에 단면이 급변하는 개폐구(315)가 갖추어진다. 또한 상기 전달체(310)의 외면에는 전해액공급구(317)가 형성되며 상기 전해액공급구를 통하여 전해액이 공급되어 전달체의 내부로 유입되도록 한다.

그리고 상기 전달체(310)의 상단부에는 덮개(320)가 결합되는데 상기 덮개의 중심부는 천공되어져 있다. 상기 덮개(320)의 중심부에 형성되는 천공부를 통하여 플런저(330)의 상단부가 돌출된다.

플런저(330)는 길다란 봉 형상이며 언급한 바와 같이 그 상단부는 덮개(320)로부터 돌출되고 하단부는 전달체(310) 내부에 형성되는 개폐구(315)와 맞닿게 된다. 그리고 상기 플런저(330)는 스프링(s)에 의해 지지되므로 외력에 의해 플런저가 상승된 후 외력이 제거되면 자동으로 복귀되어 개폐구를 막게된다.

상기 스프링의 일단은 덮개에 의해 지지되며 타단은 플런저의 외면에서 지지된다.

다음으로 기둥(90)과 연결되는 브라켓실린더(350)와 연결되며 하단부는 상기 전달체(310)를 감싸 고정하고 상단부는 플런저실린더(360)가 설치되는 브라켓(340)에 대해 설명한다.

상기 브라켓(340)은 ㄷ자 형태로서 하부 수평부에 전달체(310)가 끼워져 고정되며 상부 수평부에는 플런저실린더(360)가 설치된다.

상기 플런저실린더(360)에 구비되는 피스톤은 플런저(330)의 상단부와 연결 되며 유공압의 공급에 따라 상기 플런저는 상하로 움직인다. 본 예에서는 도시된 바와 같이 플런저실린더(360)의 피스톤과 플런저(330)를 연결하는 것으로 ㄷ자형의 커넥터(335)를 두도록 한다.

한편, 상기 브라켓(340)은 기둥(90)에 결합되는 브라켓실린더(350)와 연결되어져 있다. 상기 브라켓실린더(350)는 유공압의 공급에 의해 상하로 움직일 수 있는 것이며, 따라서 이것과 연결되는 브라켓의 상하 위치를 조정할 수 있게 된다. 브라켓이 상하로 이동되면 이에 연결된 전달체도 동일한 거리만큼 이동된다.

이하 본 발명에 의한 이차전지 전해액 주입장치의 작동원리에 대해 개략적으로 설명하기로 한다.

먼저, 하부플레이트(100)에 설치된 홀더(110)에 이차전지 케이스(10)를 장착하며 메인실린더(120)의 작동으로 하부플레이트는 상승하여 챔버(200)와 결합된다. 이어서 챔버(200)의 일측면에 구비되는 배기구(210)를 통하여 챔버 내부 및 이차전지 케이스 내부에 잔존하는 공기를 배출시켜 높은 진공도가 되도록 한다. 설정된 진공도에 이르게 되면 브라켓(340)이 하강되며 이에 따라 전달체(310)도 하강되어 상기 전달체의 단부는 이차전지 케이스의 전해액주입공(17)과 연결된다.

이러한 상태에서 전해액이 전달체(310) 내부로 유입되며 적정량의 전해액이 공급된 후에는 고압의 압축공기가 투입되어 전해액을 가압하게 된다. 이때까지는 전달체(310) 내부의 플런저(330)가 개폐구(315)를 막고 있으므로 전해액은 전달체 내부에 존재하며 이후에 플런저실린더(360)가 작동하여 플런저(330)를 상승시킴으 로서 개폐구(315)가 열리고 고압의 전해액이 이차전지 케이스 내부로 신속히 유입된다.

이차전지 케이스 내부는 미리 고진공 상태이므로 고압의 전해액은 매우 빠르게 유입될 수 있다.

한편, 고압의 전해액을 주입할 시에는 이와 동시에 진공화된 챔버(200) 내부에 공기를 공급하여 챔버 내부도 고압기체로 채워지게 한다. 이것은 고압의 전해액이 주입됨에 따라 이차전지 케이스가 변형될 수 있으므로 이와 동시에 챔버 내부도 고압으로 형성시킬 필요가 있는 것이다.

주입이 완료되면 챔버 내부의 압력을 천천히 낮추기 위해 고압공기를 배기시키며 대기압에 도달하면 챔버를 개방하여 빈 케이스로 교체하게 된다.

본 발명자의 실험에 의하면 휴대폰 등에 사용되는 소형 이차전지의 경우 전해액을 채우는데 최대 10초 정도로까지 주입시간을 단축할 수 있는 것으로 나타났다.

다음으로 본 발명에 따른 이차전지 전해액 주입방법에 대해 설명하기로 한다.

이차전지 전해액 주입방법을 설명함에 있어서는 상술한 이차전지 전해액 주입장치 및 이와 관련된 도면들을 참조하기로 한다.

본 발명에 따른 이차전지 전해액 주입방법은 4단계로 구분되며, 먼저 포지셔닝단계가 이루어진다. 포지셔닝단계는 전해액이 주입될 이차전지 케이스를 챔버 속에 위치시키는 것으로, 챔버와 결합될 하부플레이트 상면에 구비되는 홀더에 상기 이차전지 케이스를 안착하고 하부플레이트를 상승시켜 챔버와 결합되게 한다.

이어서는 진공형성단계로 챔버 내부와 이차전지 케이스 내부에 잔존하는 공기를 배출시켜 이차전지 케이스의 내외부 압력이 동일하게 고진공이 형성되도록 한다. 바람직한 진공도는 10^-7~10^-1torr 로 함이 적당하며 이차전지 케이스의 크기나 재질, 두께 등에 따라 적절히 변경할 수 있다.

그리고 상기 진공형성단계는 챔버의 측면에 구비되는 배기구를 통해 진공펌프를 가동시켜 희망하는 진공도에 도달되도록 하면 된다.

진공형성단계 다음으로는 전해액주입단계가 수행되며, 여기에서는 이차전지 케이스에 구비되는 개구된 전해액주입공을 통하여 전해액을 주입하게 된다. 특히, 규정된 양의 전해액을 압축공기로서 가압한 상태로 주입하게 되며 또한 이에 상응하여 챔버 내부에도 고압의 공기를 공급하게 된다. 전해액을 주입함에 있어서는 전해액이 분사되는 전달체가 전해액주입공과 연결되어 챔버 내부와 이차전지 케이스의 내부는 분리되며, 이 상태에서 고압의 전해액을 이차전지 케이스 내부로 주입하게 된다. 따라서 챔버 내부의 고진공 상태를 해제하여 높은 압력이 형성되도록 하여야 이차전지 케이스에 변형이 생기지 않는다. 보다 구체적인 전해액주입의 과정은 상술한 전해액주입장치에서와 같다.

전해액주입이 완료되면 마지막으로 개방단계가 수행되며, 이때에는 챔버 내부에 형성된 고압력 상태를 서서히 감소시켜 대기압 상태로 한 후 챔버를 열도록 한다. 이 또한 갑작스런 압력 차이로 인한 이차전지 케이스에 유발될 수 있는 손상을 방지하기 위한 것이다.

이상과 같은 본 발명에 따른 전해액 주입장치 및 주입방법에 의하면, 매우 빠른 속도로 전해액을 주입할 수 있으므로 작업 사이클 타임을 현격히 줄일 수 있고 이것은 높은 생산성을 달성할 수 있도록 하는 효과가 있다.

그리고 고진공 고압력으로 전해액을 주입하더라도 이차전지 케이스에는 손상이 생기지 않는다는 장점도 가진다.

Claims (4)

1. 전해액주입공이 개구된 이차전지 케이스가 장착되는 홀더가 상면에 설치되고 상하로 이동되는 하부플레이트와;

   하부가 개구되어 내부에 빈 공간을 형성하며 측면에 배기구가 갖추어지고 기둥에 연결되어 상기 하부플레이트의 상부에 위치되고 상기 하부플레이트와 결합하므로서 상기 이차전지 케이스를 수용하게 되는 챔버와;

   상기 챔버 내부로까지 형성되며 하단부가 전해액주입공과 연결되고 내부에 단면이 급변하는 개폐구가 형성되고 외면에는 전해액공급구가 구비되는 전달체와, 상기 전달체의 상단부에 형성된 덮개에 의해 일단이 지지되는 스프링에 접촉되어 상하로 움직이면서 상기 개폐구를 단속하는 플런저를 포함하고, 상기 챔버의 상측에 위치되어 상하로 이동되어 상기 전해액주입공과 연결되어 전해액이 공급되며 이어서 압축공기로 전해액을 가압하는 상태에서 플런저를 개방시켜 전해액을 전해액주입공을 통하여 이차전지 케이스 내부로 주입하게 되는 인젝션부;로 구성됨을 특징으로 하는 이차전지 전해액 주입장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 인젝션부는,

   상기 기둥과 연결되는 브라켓실린더에 결합되며 하단부는 상기 전달체의 외면을 감싸 고정하고, 상단부에는 플런저와 연결되는 플런저실린더가 설치되는 브라켓을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 이차전지 전해액 주입장치.
3. 이차전지 케이스를 밀폐되는 챔버 속에 위치시키는 포지셔닝단계와;

   챔버 내부와 이차전지 케이스 내부에 대해 동시에 공기를 배출시켜 챔버 및 이차전지 케이스 내부를 10^-7~10^-1 torr의 진공도로 유지시키는 진공형성단계와;

   이차전지 케이스에 형성된 전해액주입공을 통하여 압축공기에 의해 가압된 전해액을 주입하며 동시에 챔버 내부에도 이에 상응하는 압력이 형성되도록 공기를 공급하는 전해액주입단계와;

   챔버 내부에 형성된 높은 압력을 서서히 감소시킨 후 챔버를 열게되는 개방단계;로 구성됨을 특징으로 하는 이차전지 전해액 주입방법.
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