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KR20200099744A - 전해액 함침 향상을 위한 전지셀 활성화 트레이 및 이를 이용한 전지셀의 제조방법 - Google Patents

전해액 함침 향상을 위한 전지셀 활성화 트레이 및 이를 이용한 전지셀의 제조방법 Download PDF

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KR20200099744A
KR20200099744A KR1020190017731A KR20190017731A KR20200099744A KR 20200099744 A KR20200099744 A KR 20200099744A KR 1020190017731 A KR1020190017731 A KR 1020190017731A KR 20190017731 A KR20190017731 A KR 20190017731A KR 20200099744 A KR20200099744 A KR 20200099744A
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오정식
김현태
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전해액 함침 향상을 위한 전지셀 활성화 트레이 및 이를 이용한 전지셀의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명의 상기 전지셀 활성화 트레이는 복수의 전지셀이 수용될 수 있도록 상부가 개방된 각각의 수용 공간이 형성되어 있는 전지셀 트레이 본체; 및 상기 전지셀 트레이의 상부에 장착되는 트레이 커버 부재;를 포함하고, 상기 트레이 커버 부재는, 상기 전지셀 활성화 트레이가 90도 회전하였을 때 상기 전지셀 트레이 본체에 수용된 상기 전지셀이 상기 전지셀 트레이 본체로부터 탈거되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전지셀 활성화 트레이를 이용하여 전지셀을 제조하는 경우 전지셀의 전해액 주액구가 상부를 향하도록 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전시킴으로써, 전지셀 내의 주입된 전해액이 전극조립체로 함침 면적이 증가하는 효과를 발휘한다.

Description

전해액 함침 향상을 위한 전지셀 활성화 트레이 및 이를 이용한 전지셀의 제조방법{Tray for activating battery cell to improve electrolyte wetting and the batter cell manufacturing method using thereof}
본 발명은 전해액 함침 향상을 위한 전지셀 활성화 트레이 및 이를 이용한 전지셀의 제조방법에 관한 것으로, 전지셀의 전해액 주입구가 상부를 향하도록 트레이를 90도 회전하여 수직으로 세움으로써, 전지셀 내에 전해액 함침성이 향상되는 것이 가능한 전지셀 활성화 트레이 및 이를 이용한 전지셀의 제조방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
상기와 같은 이차전지는 전지셀을 조립하는 공정과 에이징하는 공정 및 활성화하는 공정을 거쳐 제조된다. 먼저, 전지셀을 조립하는 공정은 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하여 전극 조립체를 형성하고, 상기 전극 조립체를 전지케이스에 수납한 후 전해액을 함침하는 공정을 통해 이루어진다.
그런데, 이차 전지의 고용량화 추세 및 그에 따른 이차 전지의 전극판들의 단위 사이즈가 증가되면서 전해액의 습윤에 대한 중요성이 커지고 있다. 왜냐하면, 이차 전지의 제조 공정상 전해액의 함침(습윤)이 불완전해지면, 이차 전지의 용량이 저하됨은 물론, 전극 상태의 불균일성이 심화되어 전극 반응이 국부적으로 집중되어 그곳에서 리튬 금속이 국부적으로 석출되어 전지의 안전성에 지대한 문제를 일으킬 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라, 전극판의 사이즈가 커지게 되면 전해액의 습윤에 소요되는 시간이 역시 상대적으로 증가하게 되므로 이차 전지의 생산성이 저하되는 문제점도 있다. 또한, 전해질의 습윤 불량은 다른 전극 상태가 양호함에도 불구하고 전극의 퇴화를 가속시켜 전지의 수명을 단축시킬 수 있는 문제점이 있다.
또한, 기존 전지셀의 제조에 있어서 활성화 트레이 내에 전지셀을 수납한 채 제조가 진행되는 경우, 일부 전해액은 전지셀 내 전극 조립체로 함침되나, 일부는 가스 포켓쪽으로 흘러가 함침에 불리한 문제가 있었다.
이와 같이 전지셀 내의 전해액 함침은 이차 전지의 생산성 및 수명과 직결되는 바, 전해액 함침을 향상시키기 위한 기술 개발의 필요성이 높은 실정이다.
한국공개특허 공보 제2018-0111121호 한국공개특허 공보 제2017-0004738호 한국공개특허 공보 제2015-0103922호 한국공개특허 공보 제2004-0002655호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험들을 계속한 끝에, 전해액의 함침성을 높이기 위한 연구를 시도하였으며, 종래 활성화 트레이 상에 전지셀을 삽입한 이후, 전해액 주액구 및 가스 포켓이 상부로 향하도록 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전시킴으로 전지셀 내의 전해액이 전극조립체로 흘러가 전해액 함침성을 높일 수 있는 효과를 통해 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
그러므로, 본 발명은 통상의 전지셀 제조방법 보다 전지셀 내의 전해액의 함침성을 더욱 효과적으로 향상시킬 뿐만 아니라, 전해액이 가스 포켓으로 넘어가지 않는 효과를 발휘할 수 있는 활성화 트레이 및 전지셀의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해액이 주입된 전지셀을 활성화하기 위한 전지셀 활성화 트레이에 있어서, 복수의 전지셀이 수용될 수 있도록 상부가 개방된 각각의 수용 공간이 형성되어 있는 전지셀 트레이 본체; 및 상기 전지셀 트레이의 상부에 장착되는 트레이 커버 부재;를 포함하고, 상기 트레이 커버 부재는, 상기 전지셀 활성화 트레이가 90도 회전하였을 때 상기 전지셀 트레이 본체에 수용된 상기 전지셀이 상기 전지셀 트레이 본체로부터 탈거되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 전지셀은 음극과 분리막, 양극이 교대로 적층된 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 밀봉되고, 상기 전극조립체로부터 연장된 전극 리드가 상기 전지케이스의 일변으로부터 돌출되어 있는 형태의 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다.
상기 파우치형 전지셀의 전지케이스는 전극 리드가 돌출된 일변에 인접하는 변에, 가스 포집을 위한 가스 포켓(gas pocket)이 형성되어 있고, 상기 전지케이스 외주변에는 열융착 실링부가 형성된 것을 특징으로 한다.
구체적으로 전지케이스 상에 전극 조립체를 위치시킨 이후 전지셀의 일면의 가장자리를 열융착하여 실링하며, 전지 케이스의 일변에 전해액 주액구를 형성하여 전지케이스 내에 전해액이 주입된 이후, 전해액 주액구에 해당되는 일변을 열융착 실링함으로 전지셀을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 전지셀 활성화 트레이는, 상기 전지셀 트레이 본체에 수용된 상기 전지셀의 전해액 주액구가 상기 전지셀 트레이 본체의 상부 방향을 향하도록 90도 회전되는 것을 특징으로 하는데, 구체적으로 상기 전지셀 활성화 트레이는 90도 회전된 상태에서 고정될 수 있으며 또한 이동이 가능하다.
한편, 본 발명의 트레이 커버 부재는 전지셀의 전극 리드가 외부로 돌출 될 수 있도록 개구부가 형성될 수 있는데, 이때 개구부는 사각형 또는 원형 모양의 격자가 규칙적으로 배열된 구조인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 트레이 커버 부재의 상기 개구부의 면적은 트레이 커버와 마주하는 전지셀의 평단면의 면적보다 작은 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 상기 트레이 커버 부재의 개구부의 면적은 상기 전극 리드의 단면의 면적에 대응하는 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 전지셀 활성화 트레이를 사용한 전지셀의 제조방법으로서, 전해액이 주입된 복수의 전지셀을, 상기 전지셀로부터 돌출된 전극 리드가 상부로 향하도록 전지셀 활성화 트레이에 수납하는 수납 단계; 상기 전지셀 활성화 트레이 내의 복수의 전지셀을 에이징하는 에이징 단계; 및 상기 에이징하는 과정 이후 복수의 전지셀에 충전 및 방전을 수행하는 활성화 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수납 단계 이후에, 상기 전지셀의 전해액 주액구가 상부를 향하도록 상기 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전시킨 상태로 고정하는 전해액 함침 단계;를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 에이징 단계 이후에, 상기 전지셀의 전극 리드가 상부를 향하도록 상기 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전할 수 있으며, 90도 회전된 상태에서 고정될 수 있으며 또한 이동도 가능하다.
더 나아가, 상기 활성화 단계 이후에 가스 제거(degassing) 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 삽입된 전지셀의 전해액 주액구(전해액이 주입되는 부분)가 상부를 향하도록 전지셀 활성화 트레이가 회전되어 고정 및/또는 이동 될수 있으므로, 전지셀 내의 가스 포켓이 상부를 향하고, 전해액은 하부의 전극조립체에 함침되므로 전지셀 내에서 전해액 함침성을 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 전지셀 활성화 트레이 분리하여 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태의 트레이 커버 부재를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 형태의 트레이 커버 부재를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시 형태의 트레이 커버 부재를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 전지셀 활성화 트레이에 수납되는 파우치형 전지셀을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 전지셀 활성화 트레이에 파우치형 전지셀이 수납된 형태를 나타낸 모식도이다.
도 7은 도 6의 평면도를 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 전지셀 활성화 트레이가 90도 회전된 것을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명에 사용될 수 있는 일반적인 파우치형 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 10은 본 발명의 전지셀 내의 전해액 주액 방향 및 전해액 함침 방향을 나타낸 모식도이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
종래에는 활성화 트레이 상에 파우치형 전지셀을 삽입할 때, 전지셀의 전극 리드가 활성화 트레이의 상부를 향하도록 삽입하였다. 이는 주액된 전해액이 전지셀의 하단으로 쏠리게 되면서 전지셀 내의 전극 조립체에 충분히 함침되지 못하는 문제가 발생하였다. 즉, 전지셀 내 전극 조립체의 하단부는 주액된 전해액의 함침이 충분히 이루어졌지만, 전극 조립체의 상단부는 전해액 함침성이 낮아지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명에서는 활성화 트레이에 삽입된 전지셀 내의 전극 조립체로의 전해액 함침성을 향상시키기 위해 종래 전지셀이 삽입되는 트레이 본체에 트레이 커버 부재를 포함하고, 전해액 주액구(전해액이 주입되는 부분)가 상부를 향하도록 90도 회전이 가능한 전지셀 활성화 트레이 및 이를 이용하여 전해액 함침성이 향상된 전지셀의 제조방법을 제안하고자 한다.
이하, 도면들을 참고하여 본 발명에 따른 전지셀 활성화 트레이 및 전해액 함침성이 향상된 전지셀의 제조방법에 대해 설명한다.
먼저, 본 발명의 전지셀 활성화 트레이에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 전지셀 활성화 트레이(100)를 나타낸 모식도로서, 이를 참고하면, 복수의 전지셀이 수용될 수 있도록 상부가 개방된 각각의 수용 공간이 형성되어 있는 전지셀 트레이 본체(110); 및 상기 전지셀 트레이의 상부에 장착되는 트레이 커버 부재(120);를 포함하고, 상기 트레이 커버 부재(120)는, 상기 전지셀 활성화 트레이(100)가 90도 회전하였을 때 상기 전지셀 트레이 본체(110)에 수용된 상기 전지셀(10)이 상기 전지셀 트레이 본체(110)로부터 탈거되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 전지셀 트레이 본체(110)의 높이는 삽입되는 전지셀의 높이에 대응되거나 더 낮을 수 있다.
또한, 사기 트레이 커버 부재(120)의 두께(높이)는 전지셀 활성화 트레이(100)가 90도 회전되었을 때 전지셀들이 탈거되지 않는 정도의 강도를 가질 수 있는 최소한의 두께를 가질 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 전지셀 활성화 트레이(100)의 전지셀 트레이 본체(110)는 전지셀이 삽입되는 복수의 수용 공간(111)이 존재한다. 이는 전지셀 이 전지셀 트레이 본체(110) 내부로 삽입되고 제조과정을 거쳐갈 수 있도록 전지셀의 형상에 대응되어 홈 형태로 제작될 수 있다.
그리고, 전지셀 트레이 본체(110)는 트레이 커버 부재(120)와 대응될 수 있는데, 여기서 트레이 커버 부재(120)의 크기는 전지셀 트레이 본체(110)의 면적보다 작거나, 동일하거나 또는 더욱 클 수 있다. 본 발명의 도 1에서는 전지셀 트레이 본체(110)와 트레이 커버 부재(120)의 면적이 동일하게 대응되는데 이에 한정하지 아니한다. 다만, 전지셀 트레이 본체(110) 내에 수용 공간(111)을 통해 삽입되는 전지셀(10)이 전지셀 트레이 본체(110) 외부로 탈거되지 않는 면적이면 어느 것이든 가능하다.
또한, 본 발명에서는 전지셀 트레이 본체(110)와 트레이 커버 부재(120)가 합체되었을 시, 분리되지 않는 기타 고정 부재(미도시)를 추가적으로 포함 할 수 있다. 이는 본 발명의 전지셀 활성화 트레이(100)를 90도 회전시켜 수직으로 세우더라도 세워진 형태 그대로 전지셀 활성화 트레이(100)가 분리되지 않으며, 동시에 전지셀 활성화 트레이(100) 내에 삽입된 전지셀들이 외부로 탈거되지 않도록 하는 것이면 어느 것이든 무방하다.
한편, 본 발명에 사용되는 상기 전지셀은 이차전지로써 특별히 제한되지 않으며, 리튬 이차전지로써 리튬 이온 전지일 수 있고, 리튬 폴리머 전지일 수 있으며 리튬 이온 폴리머 전지일 수도 있다.
본 발명에서 사용 가능한 이차전지는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 양극, 음극, 분리막 및 리튬염 함유 비수계 전해액으로 구성된 리튬 이차 전지일 수 있다.
구체적으로 양극 또는 음극을 포함하는 단위전극을 둘 이상 포함하고, 상기 단위전극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취된 것을 특징으로 하는 전극 조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차 전지일 수 있다. 상기 이차 전지는 원통형, 각형 또는 파우치형 이차 전지일 수 있다.
바람직하게 본 발명에 삽입되는 전지셀은 음극과 분리막, 양극이 교대로 적층된 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 밀봉되고, 상기 전극조립체로부터 연장된 전극 리드가 상기 전지케이스의 일변으로부터 돌출되어 있는 형태의 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 이용될 수 있는 바람직한 파우치형 전지셀(10)을 나타낸 모식도로써, 이를 참고하면 상기 전지케이스(11)는 전극 리드(13)가 돌출된 일변에 인접하는 변에, 가스 포집을 위한 가스 포켓(gas pocket)(14)이 형성되어 있다. 또한, 전지셀(10)의 일변은 전해액이 주액되는 위치(A)로 전해액이 주입되는 전해액 주액구(16)가 형성되어 있다.
바람직하게 본 발명에서는 전지케이스(11)에 전극조립체(12)를 삽입한 이후 전극 리드(13)가 외부로 돌출되도록 전지케이스(11)의 외주변을 열융착하여 열융착 실링부(15)를 형성한다. 상기 전지케이스(11)의 전극조립체(12)가 맞닿지 않는 일변에는 전해액 주액구(16)가 형성되어 있고, 열융착 실링부(15)는 전해액의 주입을 위하여 일부 비실링될 수 있다. 이는 전해액 주입 이후 전해액 주액구(16)로 전해액이 흘러나가는 것을 방지하기 위하여 이후, 비실링된 부분은 다시 실링된다.
상기 열융착 실링부(15)는 활성화 공정 이후, 전지셀의 내부에서 발생하는 가스의 배출을 위해 파우치의 일면을 개봉하여 가스 제거 공정을 수행할 수 있다.
다시 말해, 본 발명에서는 전극조립체(12)를 전지케이스(11)에 넣고 전해질을 주입하기 전 실링할 때 전지케이스(11)의 3변 및 전해액 주액구가 위치한 나머지 한 변을 최대한 실링함으로써 비실링되는 영역(비실링부)을 최소화하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 전지케이스(11)에 전극조립체(12)를 넣고 전지케이스(11)의 3면과 나머지 한변 중 전해액을 튜브 등을 이용하여 비실링된 전해액 주액구(16)를 통해 전해액을 주입한다. 전해액이 주입된 이후, 전해액 주액구(16)가 위치된 비실링부를 실링함으로써 전해액의 유출을 방지한다.
다음으로, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 트레이 커버 부재(120)를 나타낸 모식도로서, 이하 트레이 커버 부재(120)에 대해 설명한다.
본 발명에서 전지셀 트레이 본체(110)에 합체되는 트레이 커버 부재(120)는 전지셀 트레이 본체(110)에 삽입된 전지셀(10)의 전극 리드(13)가 외부로 돌출 될 수 있도록 개구부가 형성된 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 도 2 및 도 3을 참고하면, 상기 개구부는 사각형 또는 원형 모양의 격자가 규칙적으로 배열된 구조일 수 있다. 먼저, 도 2에서는 트레이 커버 부재(120)에 타원형 형태의 개구부(121)가 형성된 것을 나타내고 있으며, 도 3에서는 직사각형 형태의 개구부(121)가 형성되어 있다. 또한 도 4에서는 상기 전지셀 트레이 본체(110)내에 삽입된 전지셀(10)의 외부로 돌출된 전극 리드(13)의 형상에 대응하는 크기를 갖는 개구부(121)가 형성된 것이 가능하다.
상기 개구부의 형상은 이에 제한하지 아니하나, 개구부의 면적은 트레이 커버와 마주하는 전지셀의 평단면의 면적보다 작은 것이 바람직하다. 개구부의 면적이 전지셀의 평단면의 면적보다 같거나 클 경우, 전지셀 활성화 트레이(100)를 수직으로 회전시켜 세웠을 때, 전지셀이 탈거될 수 있기 때문이다.
상기와 같은 전지셀의 탈거를 방지하기 위해 개구부의 형상 및 면적이 조절될 수 있으며, 전지셀 활성화 트레이를 90도로 회전시킨 경우 전지셀이 탈거되지 않는 선에서 그 형상과 면적은 변형이 가능하다.
한편, 도 6은 본 발명의 전지셀 활성화 트레이(100)에 전지셀(10)이 장착된 것을 나타내는 모식도로써, 복수의 전지셀들은 전지셀 트레이 본체(110) 내에 각각 삽입되어 있으며, 트레이 커버 부재(110)를 덮더라도, 전지셀의 전극 리드가 외부로 돌출 될 수 있다.
또한, 도 7은 도 6의 평면도를 나타내는 모식도이다.
상기 도 6 및 도 7을 참고하면, 전지셀 활성화 트레이(100)에 각각 수납된 전지셀은 전극 리드가 전지셀 활성화 트레이(100)의 상부를 향하도록 수납된다. 또한, 전지셀의 전극 리드의 일변에 인접하는 변에는 전해액 주액구가 위치하고있다. 이는, 전지셀 내에는 가스 포집을 위한 가스 포켓(gas pocket)이 형성되어 있음을 의미한다.
본 발명의 도 6 및 도 7과 같이 전지셀 활성화 트레이(100)에 복수의 전지셀이 수납된 이후에는, 도 8과 같이 90도 회전되어 세워지는 것을 특징으로 한다.
도 8은 본 발명의 전지셀 활성화 트레이가 90도 회전되어 세워지는 것을 나타낸 모식도이다.
구체적으로, 본 발명의 전지셀 활성화 트레이는, 상기 전지셀 트레이 본체에 수용된 상기 전지셀의 전해액 주액구가 상기 전지셀 트레이 본체의 상부 방향을 향하도록 90도 회전될 수 있다. 또한 본 발명의 전지셀 활성화 트레이(100)는 90도 회전된 상태에서 고정될 수 있으며, 또한 90도 회전된 상태에서 이동이 가능하다.
본 발명의 전지셀 활성화 트레이는 도 8에서 도식된 바와 같이, 90도로 회전될 수 있는데, 전지셀 내의 전해액 함침성 향상을 위해서는 전지셀의 전해액 주액구가 상부를 향하도록 전지셀 활성화 트레이를 회전시켜 세우는 것이 특징이다.
본 발명과 같이 전지셀 활성화 트레이(100)를, 삽입된 전지셀 내 전해액 주액구가 상부를 향하도록 회전시켜 세움으로써, 전해액이 전지셀 내 하부 방향으로 흘러, 전극 조립체 상에 함침되는 면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 전지셀 내에 발생하는 가스를 포집하는 가스 포켓이 상부 방향에 위치함으로써 전해액이 가스 포켓으로 넘어가지 않는 효과를 발휘 할 수 있다.
구체적으로, 도 10을 참고하면, 전지셀을 전지셀 활성화 트레이 삽입하면 전해액 주액 방향으로 주입된 전해액은 전해액 함침 방향으로 함침이 진행된다. 도 10의 10A를 참고하면, 전해액은 전지셀 내 하부에 쏠리게 되고, 전극조립체에 함침이 유리하게 일어나지 않는다. 그러나 10B는 본 발명과 같이 전지셀을 전지셀 활성화 트레이(100)에 삽입 한 후, 전해액 주액구가 상부로 향하도록 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전시킨 상태를 나타내는 것으로, 전지셀 활성화 트레이의 회전으로 인해, 전지셀의 전해액 주액구가 상부를 향하게 되며, 이를 통해 전지셀 내 주입된 전해액의 함침 방향은 전극조립체로 향하게 된다.
최종적으로, 이를 통해 전지셀 활성화 트레이 내에 삽입된 전지셀 내의 전해액 함침성이 향상되는 효과를 발휘 할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 전지셀 활성화 트레이를 사용한 전지셀의 제조방법에 대해 설명한다. 본 발명은 전해액이 주입된 복수의 전지셀을, 상기 전지셀로부터 돌출된 전극 리드가 상부로 향하도록 전지셀 활성화 트레이에 수납하는 수납 단계; 상기 전지셀 활성화 트레이 내의 복수의 전지셀을 에이징하는 에이징 단계; 및 상기 에이징하는 과정 이후 복수의 전지셀에 충전 및 방전을 수행하는 활성화 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 수납 단계 이후에, 상기 전지셀의 전해액 주액구가 상부를 향하도록 상기 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전시킨 상태로 고정하는 전해액 함침 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전지셀 활성화 트레이는, 앞서 설명한 바와 같이 상기 전지셀 트레이 본체에 수용된 상기 전지셀의 전해액 주액구가 상기 전지셀 트레이 본체의 상부 방향을 향하도록 90도 회전된 상태에서 고정될 수 있으며, 또한 90도 회전된 상태에서 이동이 가능하다. 이를 통해 전지셀 내의 전해액이 전극 조립체를 향해 함침되므로 전해액 함침성을 향상시킬 수 있다.
또한, 더 나아가 상기 에이징 단계 이후에, 상기 전지셀의 전극 리드가 상부를 향하도록 상기 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전될 수 있다. 에이징 단계를 통해 전해액을 전극조립체에 함침시킨 이후 진행되는 활성화 단계에서 전극 리드를 원 상태인 상부를 향하도록 원위치 시키는 것으로, 기존에 이용되는 활성화 공정 장비를 이용하기 위함이다.
또한, 본 발명은 상기 활성화 단계 이후에 가스 제거(degassing) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 에이징 단계 및 활성화 단계를 거친 전지셀은 내부에 가스가 발생하고, 내부 가스를 배출하기 위하여 전지셀을 다시 부분 개봉하여 가스포켓 상의 가스를 배출한 후, 최종적으로 재 실링함으로써 전지의 제조를 완성한다.
한편, 본 발명에서 사용 가능한 이차 전지는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 양극, 음극, 분리막 및 리튬염 함유 비수계 전해액으로 구성된 리튬 이차 전지일 수 있다.
구체적으로 양극 또는 음극을 포함하는 단위전극을 둘 이상 포함하고, 상기 단위전극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취된 것을 특징으로 하는 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되어 있는 이차 전지일 수 있다. 상기 이차 전지는 원통형, 각형 또는 파우치형 이차 전지일 수 있다.
상기 단위 전극은 집전체 상에 전극 활물질을 포함하고 있는 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며 상기 전극 합제에는 필요에 따라 바인더, 도전재, 충진재 등이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
집전체로는 약자성체 또는 비자성체의 금속 극박이 모두 사용될 수 있다. 양극 집전체의 경우, 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 시트, 호일, 네트 등 다양한 형태가 가능하다.
음극 집전체의 경우, 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 시트, 호일, 네트 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
양극 활물질은, 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 그래핀, 그라파이트 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다. 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명에 사용될 수 있는 일반적인 완성된 파우치형 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
구체적으로 파우치형 이차전지는 그리드에 전극 활물질을 충전시킨 상태의 양극판 및 음극판을 포함하는 전극, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 전해액이 함침되어 있는 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체(910)를 구비하며, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 이때, 상기 양극판의 일측에는 양극탭(921)이 형성되고, 상기 음극판의 일측에는 음극 탭(922)이 형성되며, 상기 양극 탭(921) 및 음극 탭(922)은 일정한 간격을 두고 나란하게 배치된다. 상기 탭들은 각각 양극 리드(931)와 음극 리드(932)에 용접 등에 의해 전기적으로 연결됨으로써 외부 회로와 접속된다. 상기 전극조립체(910) 및 양극 리드(931)와 음극 리드(932)는 커버가 형성된 절연성 전지케이스(940)에 의해 밀봉된다. 이때, 상기 전극조립체(910)의 외부와의 전기적인 연결을 위하여 양극 리드(931)와 음극 리드(932)의 일부는 외부로 노출된 상태에서 전지케이스(940)에 의해 밀봉된다. 또한 양극 리드(931)와 음극 리드(932)의 상하면 일부에는 파우치와의 밀봉도를 높이고 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(950)이 부착될 수 있다.
상기 전지케이스(940)는 통상적으로 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 파우치형 이차전지는 전지케이스의 수납부에 전극조립체(910)를 내장하고 전해액을 주입한 후 전지케이스의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트 시트가 접하는 외주면을 열융착시키는 과정을 통해 제조된다.
상기 라미네이트 시트 구조의 전지케이스에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 밀봉을 위한 내부 실란트층, 물질의 침투를 방지하는 금속층, 및 케이스의 최외곽을 이루는 외부 수지층으로 구성되어 있다. 이중, 내부 실란트층은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 주로 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어져 있다. 금속층은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하며, 주로 알루미늄(Al)이 사용되고 있다. 또한, 외부 수지층은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, ONy(연신 나일론 필름)이 많이 사용되고 있다.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위 전지로 포함하는 전지팩, 디바이스 등을 제공할 수 있으며, 상기 디바이스는 구체적으로, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
10: 전지셀
11: 전지 케이스
12: 전극 조립체
13: 전극 리드
14: 가스 포켓
15: 열융착 실링부
16: 전해액 주액구(전해액 주입되는 부분)
A: 전해액 주입 방향
100: 전지셀 활성화 트레이
110: 전지셀 트레이 본체
111: 수용 공간
120: 트레이 커버 부재
121: 개구부

Claims (13)

  1. 전해액이 주입된 전지셀을 활성화하기 위한 전지셀 활성화 트레이에 있어서,
    복수의 전지셀이 수용될 수 있도록 상부가 개방된 각각의 수용 공간이 형성되어 있는 전지셀 트레이 본체; 및
    상기 전지셀 트레이의 상부에 장착되는 트레이 커버 부재;를 포함하고,
    상기 트레이 커버 부재는, 상기 전지셀 활성화 트레이가 90도 회전하였을 때 상기 전지셀 트레이 본체에 수용된 상기 전지셀이 상기 전지셀 트레이 본체로부터 탈거되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀은 음극과 분리막, 양극이 교대로 적층된 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 밀봉되고, 상기 전극조립체로부터 연장된 전극 리드가 상기 전지케이스의 일변으로부터 돌출되어 있는 형태의 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전지케이스는,
    전극 리드가 돌출된 일변에 인접하는 변에, 가스 포집을 위한 가스 포켓(gas pocket)이 형성되어 있고,
    상기 전지케이스 외주변에는 열융착 실링부가 형성된 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전지셀 활성화 트레이는, 상기 전지셀 트레이 본체에 수용된 상기 전지셀의 전해액 주액구가 상기 전지셀 트레이 본체의 상부 방향을 향하도록 90도 회전되는 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전지셀 활성화 트레이는 90도 회전된 상태에서 이동 가능한 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 트레이 커버 부재는 전지셀의 전극 리드가 외부로 돌출 될 수 있도록 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개구부는 사각형 또는 원형 모양의 격자가 규칙적으로 배열된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 트레이 커버 부재의 상기 개구부의 면적은 트레이 커버와 마주하는 전지셀의 평단면의 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 트레이 커버 부재의 개구부의 면적은 상기 전극 리드의 단면의 면적에 대응하는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 전지셀 활성화 트레이.
  10. 제1항에 따른 전지셀 활성화 트레이를 사용한 전지셀의 제조방법으로서,
    전해액이 주입된 복수의 전지셀을, 상기 전지셀로부터 돌출된 전극 리드가 상부로 향하도록 전지셀 활성화 트레이에 수납하는 수납 단계;
    상기 전지셀 활성화 트레이 내의 복수의 전지셀을 에이징하는 에이징 단계; 및
    상기 에이징하는 과정 이후 복수의 전지셀에 충전 및 방전을 수행하는 활성화 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수납 단계 이후에, 상기 전지셀의 전해액 주액구가 상부를 향하도록 상기 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전시킨 상태로 고정하는 전해액 함침 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 에이징 단계 이후에, 상기 전지셀의 전극 리드가 상부를 향하도록 상기 전지셀 활성화 트레이를 90도 회전하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 활성화 단계 이후에 가스 제거(degassing) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
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