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KR20200140578A - 이차 전지 제조 장치 및 방법 - Google Patents

이차 전지 제조 장치 및 방법 Download PDF

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KR20200140578A
KR20200140578A KR1020190067388A KR20190067388A KR20200140578A KR 20200140578 A KR20200140578 A KR 20200140578A KR 1020190067388 A KR1020190067388 A KR 1020190067388A KR 20190067388 A KR20190067388 A KR 20190067388A KR 20200140578 A KR20200140578 A KR 20200140578A
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battery case
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sealing
secondary battery
depression
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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 제조 장치는 이차 전지의 전지 케이스가 폴딩되면, 상기 전지 케이스에서 폴딩되는 폴딩부를 내측으로 함몰시켜 함몰부를 형성하는 함몰 유도부; 일단의 일측이 함몰되어 오목한 공간을 형성하며, 상기 일단이 상기 전지 케이스에 삽입되어 상기 폴딩부를 외측으로 밀어내면서, 상기 함몰 유도부가 상기 오목한 공간으로 삽입되는 제1 가이드; 및 상기 전지 케이스의 실링부를 홀딩하여 상기 전지 케이스를 고정시키는 제2 가이드를 포함한다.

Description

이차 전지 제조 장치 및 방법{The Apparatus And The Method For Manufacturing Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사이즈의 오차를 감소시키고, 부피 대비 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 이차 전지 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
전극 조립체를 제조하기 위해, 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)을 제조하고, 이들을 적층한다. 구체적으로, 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체에 도포하고, 음극 활물질 슬러리를 음극 집전체에 도포하여 양극(Cathode)과 음극(Anode)을 제조한다. 그리고 상기 제조된 양극 및 음극의 사이에 분리막(Separator)이 개재되어 적층되면 단위 셀(Unit Cell)들이 형성되고, 단위 셀들이 서로 적층됨으로써, 전극 조립체가 형성된다. 그리고 이러한 전극 조립체가 특정 케이스에 수용되고 전해액을 주입하면 이차 전지가 제조된다.
이러한 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 유연한 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 형태가 일정한 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
파우치 형 전지 케이스는, 유연성을 가지는 파우치 필름에 드로잉(Drawing) 성형을 하여, 컵부를 형성함으로써 제조된다. 이러한 드로잉 성형은 프레스에 파우치 필름을 삽입하고 펀치로 파우치 필름에 압력을 인가하여, 파우치 필름을 연신시킴으로써 수행된다. 그리고 컵부가 형성되면, 상기 컵부의 수용 공간에 전극 조립체를 수납하고 전지 케이스를 폴딩한 후 실링부를 실링하여 이차 전지를 제조한다.
파우치 필름에 컵부를 성형할 때에는, 하나의 파우치 필름에 두 개의 컵부를 서로 대칭으로 드로잉 성형할 수도 있다. 그리고, 컵부의 수용 공간에 전극 조립체를 수납한 후에, 두 개의 컵부가 서로 마주보도록 전지 케이스를 폴딩할 수 있다. 그러면, 두 개의 컵부가 하나의 전극 조립체를 수용하므로, 컵부가 하나일 때보다 두께(T)가 더 두꺼운 전극 조립체도 수용할 수 있다. 또한, 전지 케이스가 폴딩됨으로써 이차 전지의 하나의 모서리가 형성되므로, 추후에 실링 공정을 수행할 때 4개가 아닌 나머지 3개의 모서리만을 실링할 수 있다. 따라서, 실링되는 모서리를 감소시켜 공정 속도를 향상시킬 수 있고, 트리밍 공정 수도 감소시킬 수도 있다.
도 1은 종래의 파우치 형 이차 전지(3)의 평면도이다.
종래에는 전지 케이스를 폴딩하고 열 및 압력을 인가하여 실링하면, 이차 전지(1a)의 폴딩된 상기 하나의 모서리, 즉 폴딩부(336)의 일부가 외측으로 돌출되었다. 이를 박쥐 귀(Bat Ear, 2)라고 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 박쥐 귀(2)가 돌출 형성되면, 불필요한 부피가 더 증가하므로, 이차 전지(1a)의 설계된 사이즈에서 오차가 발생한다. 따라서, 이차 전지(3)들을 전지 모듈 등으로 조립할 때 조립이 용이하지 않고, 처음부터 사이즈를 작게 설계해야 하는 문제가 있다. 또한, 전체적으로 이차 전지(3)의 부피를 증가시키므로, 부피 대비 에너지 밀도가 감소하는 문제도 있다.
한국공개공보 제2018-0085185호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 사이즈의 오차를 감소시키고, 부피 대비 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 이차 전지 제조 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 제조 장치는 이차 전지의 전지 케이스가 폴딩되면, 상기 전지 케이스에서 폴딩되는 폴딩부를 내측으로 함몰시켜 함몰부를 형성하는 함몰 유도부; 일단의 일측이 함몰되어 오목한 공간을 형성하며, 상기 일단이 상기 전지 케이스에 삽입되어 상기 폴딩부를 외측으로 밀어내면서, 상기 함몰 유도부가 상기 오목한 공간으로 삽입되는 제1 가이드; 및 상기 전지 케이스의 실링부를 홀딩하여 상기 전지 케이스를 고정시키는 제2 가이드를 포함한다.
또한, 상기 함몰 유도부는, 복수로 형성되며, 서로를 향하는 방향과 나란한 방향으로 직선 이동할 수 있다.
또한, 상기 제1 가이드는, 상기 실링부가 실링되기 전에 상기 실링부를 통해, 상기 전지 케이스에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 제1 가이드가 상기 폴딩부를 외측으로 밀어내면, 상기 폴딩부가 상기 함몰 유도부와 함께 상기 오목한 공간으로 삽입되어 함몰부를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1 가이드는, 상기 일단의 일측이 내측으로 함몰되어 필렛팅될 수 있다.
또한, 상기 제1 가이드는, 상기 일단의 일측이 내측으로 함몰되며 챔퍼링되어, 복수의 평면으로 상기 오목한 공간을 형성하고, 상기 복수의 평면들이 서로 이루는 외각이 둔각을 형성할 수 있다.
또한, 상기 실링부에 열 및 압력을 인가하여 상기 실링부를 실링하는 실링 툴을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 가이드는, 상기 실링부가 실링되기 전에, 상기 전지 케이스로부터 인출될 수 있다.
또한, 상기 제1 가이드는, 두께가 상기 전지 케이스가 폴딩되었을 때의 두께보다 얇을 수 있다.
또한, 상기 제2 가이드는, 집게 형상을 가지며, 상기 실링부를 양 면으로부터 홀딩할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 제조 방법은 전극 및 분리막이 교대로 적층되어 형성되는 전극 조립체를, 이차 전지의 전지 케이스에 수납하는 단계; 상기 전지 케이스가 폴딩되면, 함몰 유도부가 상기 전지 케이스에서 폴딩되는 폴딩부를 내측으로 함몰시켜 함몰부를 형성하는 단계; 일단의 일측이 함몰되어 오목한 공간을 형성하는 제1 가이드의 상기 일단을 상기 전지 케이스에 삽입하는 단계; 상기 제1 가이드가 상기 전지 케이스의 폴딩부를 외측으로 밀어내면서, 상기 폴딩부가 상기 함몰 유도부와 함께 상기 오목한 공간으로 삽입되는 단계; 제2 가이드가 상기 전지 케이스의 실링부를 홀딩하여 상기 전지 케이스를 고정시키는 단계; 및 실링 툴이 상기 실링부에 열 및 압력을 인가하여 상기 실링부를 실링하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 전지 케이스를 고정시키는 단계 이후 및 상기 실링부를 실링하는 단계 이전에, 상기 제1 가이드를 상기 전지 케이스로부터 인출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 상기 이차 전지 제조 방법으로 제조된다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
박쥐 귀의 형성을 방지하여, 이차 전지의 설계된 사이즈에서 발생하는 오차를 감소시킬 수 있고, 이차 전지들을 전지 모듈 등으로 용이하게 조립할 수 있다.
또한, 전체적으로 불필요한 이차 전지의 부피를 감소시키므로, 부피 대비 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 종래의 파우치 형 이차 전지의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 조립도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 전지 케이스를 도 2의 A-A'로 절단한 단면도이다.
도 5는 도 4의 파우치 형 전지 케이스에 전극 조립체가 수납되는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 4의 파우치 형 전지 케이스에 전극 조립체가 수납된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 4의 파우치 형 전지 케이스가 폴딩되는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 4의 파우치 형 전지 케이스가 폴딩된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 함몰 유도부와 전지 케이스가 가까워지는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가이드가 파우치 형 전지 케이스에 삽입되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가이드의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 가이드의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 가이드가 파우치 형 전지 케이스의 실링부를 홀딩하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가이드가 파우치 형 전지 케이스로부터 인출되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 실링 툴이 파우치 형 전지 케이스의 실링부를 실링하는 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 조립도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 파우치 형의 전지 케이스(13), 상기 전지 케이스(13)의 내부에 수용되는 전극 조립체(10)를 포함한다.
전극 조립체(Electrode Assembly, 10)는 양극 및 음극 등 두 개의 전극과, 전극들을 상호 절연시키기 위해 전극들 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막을 구비한 적층 구조체일 수 있다. 상기 적층 구조체는 소정 규격의 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층될 수도 있고, 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취될 수 있는 등 제한되지 않고 다양한 형태일 수 있다. 두 개의 전극은 각각 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 전극 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조이다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 용매는 후속 공정에서 제거된다.
전극 조립체(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(10)의 집전체는 전극 활물질이 도포된 부분과 전극 활물질이 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 2에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 전지 케이스(13)의 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)가 열 융착되는 실링부(134)에 한정되어 위치하여, 전지 케이스(13)에 접착된다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(13)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
전극 리드(12)는 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)의 형성 위치에 따라 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있고 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 판과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 판과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
전지 케이스(13)는 유연성을 가지는 재질로 제조된 파우치이며, 유연성을 가지는 파우치 필름에 드로잉 성형을 하여, 컵부(133)를 형성함으로써 제조된다. 그리고 전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 케이스(131)와 제2 케이스(132)를 포함한다. 제1 케이스(131) 및 제2 케이스(132)에는 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)가 각각 하나씩 형성되어 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간이 마련된다. 그리고, 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록, 전지 케이스(13)가 폴딩되어 전극 조립체(10)가 컵부(133)의 수용 공간에 수납된다.
한편, 파우치 필름에 두 개의 컵부(133)를 서로 대칭으로 드로잉 성형할 때, 두 개의 컵부(133) 사이에 수납부(135)를 함께 드로잉 성형할 수 있다. 수납부(135)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)의 사이에, 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)가 서로 마주보는 모서리의 길이 방향으로 길게 형성되며, 전극 조립체(10)가 제일 먼저 수납되는 공간이다. 이러한, 수납부(135)는 상기 전극 조립체(10)가 컵부(133)에 용이하게 수납되기 위해, 전극 조립체(10)의 일측을 먼저 수납하여 위치를 고정시킨다. 이를 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 수납부(135)의 폭(w) 및 길이(l)는 전극 조립체(10)의 두께(T) 및 길이(L)와 각각 대응되고, 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)로부터 동일한 거리에 위치한다. 따라서, 수납부(135)의 길이 방향으로 형성되는 중심축이, 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)의 대칭축이 된다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 전극 조립체(10)를 수납부(135)에 수납한다. 그리고, 제1 케이스(131) 및 제2 케이스(132)를 폴딩하면 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)에 마련된 수용 공간에 전극 조립체(10)가 수납되고, 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)가 전극 조립체(10)를 포위한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 제1 케이스(131) 및 제2 케이스(132)의 테두리에 형성된 실링부(134)를 실링한다. 전해액은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해, 도 3에 도시된 바와 같이, 파우치 형 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 전지 케이스(13)를 도 2의 A-A'로 절단한 단면도이다.
컵부(133)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 폭(W)의 중앙부에 대응되는 부분(1333)부터 전극 조립체(10)의 상측 모서리에 대응되는 부분(1334)으로 갈수록 점점 깊이(d)가 깊어지는 형상을 가진다. 그리고 수납부(135)와 컵부(133) 사이의 구간은 깊이의 변화가 거의 없는 평평한 형상을 가진다.
상기 컵부(133)에서 가장 깊이(d)가 깊은 곳은 전극 조립체(10)의 상측 모서리에 대응되는 부분이며, 깊이(d)는 전극 조립체(10)의 두께(T)의 절반보다 깊은 것이 바람직하다. 추후에 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)가 서로 마주보며 전지 케이스(13)의 실링부(134)가 실링되면, 전극 조립체(10)는 컵부(133)의 내부에 수납된다. 그런데 만약, 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)의 깊이(d)가 각각 전극 조립체(10)의 두께(T)의 절반보다 깊지 않다면, 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)가 전극 조립체(10)를 내부에 수납한 후에 실링부(134)끼리 서로 맞닿지 않아 실링이 되지 않거나, 실링부(134)끼리 서로 맞닿더라도 맞닿는 영역이 과도하게 좁아 실링이 부실하게 되는 문제가 발생하기 때문이다.
수납부(135)와 컵부(133) 사이의 구간의 길이(S)는 전극 조립체(10)의 폭(W) 및 두께(T)에 따라 상이하다. 즉, 전극 조립체(10)의 폭(W)이 짧을수록 수납부(135)와 컵부(133) 사이의 구간의 길이(S)도 짧아지는 것이 바람직하다. 반대로, 전극 조립체(10)의 폭(W)이 길수록 수납부(135)와 컵부(133) 사이의 구간의 길이(S)는 길어지는 것이 바람직하다. 또한, 전극 조립체(10)의 두께(T)가 두꺼울수록 컵부(133)의 깊이(d)도 깊어지므로, 수납부(135)와 컵부(133) 사이의 구간의 길이(S)는 짧아지는 것이 바람직하다. 반대로, 전극 조립체(10)의 두께(T)가 얇을수록 컵부(133)의 깊이(d)도 얕아지므로, 수납부(135)와 컵부(133) 사이의 구간의 길이(S)는 길어지는 것이 바람직하다.
도 5는 도 4의 파우치 형 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)가 수납되는 모습을 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 4의 파우치 형 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)가 수납된 모습을 나타낸 단면도이다.
상기 수납부(135)에 전극 조립체(10)의 일측을 수납한다. 이 때 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)를 상방으로부터 하방으로 직립하여 수납하는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 추후에 전지 케이스(13)가 폴딩되면 전극 조립체(10)의 양측에 각각 형성된 제1 컵부(1331) 및 제2 컵부(1332)가 전극 조립체(10)를 포위하며 내부에 수납할 수 있다.
상기 기술한 바와 같이, 수납부(135)는 전극 조립체(10)의 두께(T) 및 길이(L)와 각각 대응되는 폭(w) 및 길이(l)를 가지므로, 도 6에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)가 수납부(135)에 용이하게 수납되며, 위치가 고정될 수 있다.
도 7은 도 4의 파우치 형 전지 케이스(13)가 폴딩되는 모습을 나타낸 단면도이고, 도 8은 도 4의 파우치 형 전지 케이스(13)가 폴딩된 모습을 나타낸 단면도이다.
전극 조립체(10)가 수납부(135)에 수납된 후, 수납부(135)의 양 측의 제1 케이스(131) 및 제2 케이스(132)를 도 7에 도시된 바와 같이 상방으로 폴딩한다. 그러면 도 8에 도시된 바와 같이, 두 개의 컵부(133)가 서로 마주보며 전극 조립체(10)를 함께 포위하며 컵부(133)의 내부에 마련된 수용 공간에 수납될 수 있다.
수납부(135)를 형성하는 양측 벽으로부터, 제1 케이스(131) 및 제2 케이스(132)는 각각 절곡되며 연결된다. 그리고 제1 케이스(131) 및 제2 케이스(132)를 폴딩하면, 절곡되었던 양측 벽과 제1 케이스(131) 및 제2 케이스(132)가 각각 서로 펴지면서 전극 조립체(10)가 컵부(133)에 수납된다. 즉, 전지 케이스(13) 전체로 보면 폴딩되는 것이나, 수납부(135)의 양측 벽에서 보면 절곡된 부분이 펴지는 것이다.
이처럼 제1 케이스(131) 및 제2 케이스(132)를 폴딩한 후에, 실링 툴(23, 도 16에 도시됨)을 이용하여 실링부(134)를 실링하면, 이차 전지(1)의 제조가 완료된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1) 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
상기 기술한 바와 같이, 종래에는 전지 케이스(13)를 폴딩하고 실링부(134)에 열 및 압력을 인가하여 실링하면, 폴딩부(336)의 일부가 외측으로 돌출되어 박쥐 귀(2)를 형성하였다. 따라서, 이차 전지(3)의 불필요한 부피가 더 증가하므로, 설계된 사이즈에서 오차가 발생하였다. 그리고, 이차 전지(3)들을 전지 모듈 등으로 조립할 때 조립이 용이하지 않고, 처음부터 사이즈를 작게 설계해야 하는 문제가 있었다. 또한, 전체적으로 이차 전지(3)의 부피를 증가시키므로, 부피 대비 에너지 밀도가 감소하는 문제도 있었다.
여기서 폴딩부(136)는 수납부(135)의 양 단으로부터, 수납부(135)의 길이 방향으로 연장되어 형성되는 영역을 지칭하며, 전지 케이스(13)가 폴딩될 때 전지 케이스(13)에서 수납부(135)의 양 단에서 폴딩되는 부분으로, 실링부(134)의 일부를 구성한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 박쥐 귀(2)를 형성했을 폴딩부(136)의 일부(1361)가, 제1 가이드(21)에 의해 정리되어 외측으로 돌출되지 않을 수 있다. 따라서, 박쥐 귀(2)의 형성을 방지하여, 이차 전지(1)의 설계된 사이즈에서 발생하는 오차를 감소시킬 수 있고, 이차 전지(1)들을 전지 모듈 등으로 용이하게 조립할 수 있다. 또한, 전체적으로 불필요한 이차 전지(1)의 부피를 감소시키므로, 부피 대비 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1) 제조 방법은, 전극 및 분리막이 교대로 적층되어 형성되는 전극 조립체(10)를, 이차 전지(1)의 전지 케이스(13)에 수납하는 단계; 상기 전지 케이스(13)가 폴딩되면, 복수의 함몰 유도부(20)가 상기 전지 케이스(13)에서 폴딩되는 폴딩부(136)를 내측으로 함몰시켜 함몰부(1362)를 형성하는 단계; 일단(211, 도 12에 도시됨)의 일측이 함몰되어 오목한 공간(212, 도 12에 도시됨)을 형성하는 제1 가이드(21)의 상기 일단(211)을 상기 전지 케이스(13)에 삽입하는 단계; 상기 제1 가이드(21)가 상기 전지 케이스(13)의 폴딩부(136)를 외측으로 밀어내면서, 상기 함몰 유도부(20)가 각각 상기 오목한 공간(211)으로 삽입되는 단계; 제2 가이드(22)가 상기 전지 케이스(13)의 실링부(134)를 홀딩하여 상기 전지 케이스(13)를 고정시키는 단계; 및 실링 툴(23)이 상기 실링부(134)에 열 및 압력을 인가하여 상기 실링부(134)를 실링하는 단계를 포함한다.
이하, 도 9의 흐름도에 도시된 각 단계를 도 10 내지 도 16을 참고하여 구체적으로 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 함몰 유도부(20)와 전지 케이스(13)가 가까워지는 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1) 제조 장치는 이차 전지(1)의 전지 케이스(13)가 폴딩되면, 상기 전지 케이스(13)에서 폴딩되는 폴딩부(136)를 내측으로 함몰시켜 함몰부(1362)를 형성하는 함몰 유도부(20); 일단(211)의 일측이 함몰되어 오목한 공간(212)을 형성하며, 상기 일단(211)이 상기 전지 케이스(13)에 삽입되어 상기 폴딩부(136)를 외측으로 밀어내면서, 상기 함몰 유도부(20)가 상기 오목한 공간(212)으로 삽입되는 제1 가이드(21); 및 상기 전지 케이스(13)의 실링부(134)를 홀딩하여 상기 전지 케이스(13)를 고정시키는 제2 가이드(22)를 포함한다. 그리고, 상기 실링부(134)에 열 및 압력을 인가하여 상기 실링부(134)를 실링하는 실링 툴(23)을 더 포함할 수 있다.
먼저 전극 및 분리막이 교대로 적층되어 형성되는 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 수납한다(S901). 그리고, 전지 케이스(13)가 폴딩되면 실링부(134)가 실링되기 전에, 함몰 유도부(20)가 전지 케이스(13)에서 폴딩되는 폴딩부(136)를 내측으로 함몰시킨다(S902). 그럼으로써, 전지 케이스(13)에 함몰부(1362)를 형성할 수 있다.
함몰 유도부(20)는 상기 전지 케이스(13)에서 폴딩되는 폴딩부(136)를 내측으로 함몰시켜 함몰부(1362)를 형성한다. 이 때, 함몰 유도부(20)가 이동이 용이하여, 전지 케이스(13)를 향해 함몰 유도부(20)가 이동할 수도 있다. 그러나, 도 10에 도시된 바와 같이, 함몰 유도부(20)는 별도의 기구에 고정되고, 전지 케이스(13)가 함몰 유도부(20)를 향해 이동할 수도 있다. 예를 들어, 추후에 전지 케이스(13)에 제1 가이드(21) 및 제2 가이드(22)로 작업을 수행하기 위해, 전지 케이스(13)를 작업대 또는 테이블(미도시)에 안착시킨다면, 함몰 유도부(20)는 이러한 작업대 또는 테이블(미도시)의 일면에 고정되며 돌출 형성될 수 있다. 또는, 상기 작업대 또는 테이블(미도시)에 별도의 스탠드(미도시)가 고정되고, 함몰 유도부(20)는 이러한 스탠드(미도시)에 고정될 수도 있다. 즉, 함몰 유도부(20)가 고정될 수 있다면, 제한되지 않고 다양한 방법이 사용될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 고정된 함몰 유도부(20)를 향해, 전지 케이스(13)가 가까이 이동한다. 이 때, 전지 케이스(13)의 폴딩부(136)가 함몰 유도부(20)를 향하는 방향으로 위치한다. 그리고, 전지 케이스(13)를 고정된 함몰 유도부(20)를 향해 밀어낸다. 그러면 고정된 함몰 유도부(20)의 반작용에 의해, 유연성을 가지는 파우치형 전지 케이스(13)의 폴딩부(136)가 내측으로 함몰될 수 있다.
이러한 함몰 유도부(20)는 도 10에 도시된 바와 같이, 원기둥 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않고 삼각 기둥, 사각 기둥, 타원 기둥 등 함몰부(1362)를 형성시킬 수 있다면 다양한 형상을 가질 수 있다. 다만, 함몰부(1362)의 형상은 함몰 유도부(20)의 형상에 대응된다. 따라서, 함몰 유도부(20)의 형상에 따라, 함몰부(1362)의 형상이 다양하게 변경될 수 있다.
전지 케이스(13)는 일반적으로 양 측에 모두 폴딩부(136)를 포함할 수 있다. 따라서, 양 측 폴딩부(136)에 함몰부(1362)가 각각 형성될 수 있다. 이를 위해, 함몰 유도부(20)도 복수로 형성되고, 전지 케이스(13)의 양 측 폴딩부(136)마다 각각의 함몰 유도부(20)를 향해 밀어내어, 한 번의 작업으로 함몰부(1362)를 각각 형성할 수 있다.
이 때, 전지 케이스(13)에 형성될 복수의 함몰부(1362) 사이의 거리와, 복수의 함몰 유도부(20) 사이의 거리가 서로 대응된다. 그런데, 전지 케이스(13)는 이차 전지(1)의 모델, 규격 등에 따라 크기가 상이하므로, 복수의 함몰부(1362) 사이의 거리도 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 복수의 함몰 유도부(20)는 서로를 향하는 방향과 나란한 방향으로 직선 이동할 수 있다. 그럼으로써, 복수의 함몰부(1362) 사이의 거리에 대응하여, 상기 복수의 함몰 유도부(20) 사이의 거리도 변경될 수 있다.
다만 이에 제한되지 않고, 함몰 유도부(20)가 하나만이 형성되고, 양 측 폴딩부(136)를 하나의 함몰 유도부(20)를 향해 하나씩 순차적으로 밀어냄으로써, 함몰부(1362)를 형성하는 작업을 두 번 수행할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가이드(21)가 파우치 형 전지 케이스(13)에 삽입되는 모습을 나타낸 개략도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가이드(21)의 개략도이다.
함몰부(1362)가 형성된 후, 도 11에 도시된 바와 같이 실링부(134)가 실링되기 전에, 실링부(134)를 통해 제1 가이드(21)를 전지 케이스(13)에 삽입한다(S903). 이 때, 제1 가이드(21)는 바 형상을 가지고, 일단(211)의 일측이 내측으로 함몰되어 오목한 공간(212)을 형성한다. 이러한 함몰된 일단(211)이 전지 케이스(13)의 내측을 향하도록, 제1 가이드(21)를 전지 케이스(13)에 삽입한다.
특히 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가이드(21)는 도 12에 도시된 바와 같이, 일단(211)의 일측이 내측으로 필렛팅(Filleting, 모깎기)되는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 일단(211)의 일측이 곡면으로 오목한 공간(212)을 형성하고, 이러한 일단(211)이 전지 케이스(13)의 폴딩부(136)를 외측으로 밀어내면, 폴딩부(136)가 상기 함몰 유도부(20)와 함께 오목한 공간(212)으로 삽입된다. 그럼으로써, 상기 형성된 함몰부(1362)의 형상이 견고해질 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 가이드(21a)의 개략도이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 가이드(21a)는 도 13에 도시된 바와 같이, 일단(211a)의 일측이 내측으로 챔퍼링(Chamfering, 모따기)될 수도 있다. 특히 제1 가이드(21a)는 일단(211a)의 일측이 내측으로 함몰되며 챔퍼링되어, 복수의 평면(213)으로 오목한 공간(212a)을 형성한다. 이러한 함몰된 일단(211a)이 전지 케이스(13)의 내측을 향하도록, 제1 가이드(21a)를 전지 케이스(13)에 삽입한다.
그리고 일단(211a)이 전지 케이스(13)의 폴딩부(136)를 외측으로 밀어내면, 폴딩부(136)가 상기 함몰 유도부(20)와 함께 오목한 공간(212a)으로 삽입된다. 여기서 오목한 공간(212a)을 형성하는 제1 가이드(21a)의 복수의 평면(213)들이 서로 이루는 외각(θ)이 둔각일 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 가이드(22)가 파우치 형 전지 케이스(13)의 실링부(134)를 홀딩하는 모습을 나타낸 개략도이다.
제1 가이드(21)가 전지 케이스(13)에 삽입되면, 제1 가이드(21)가 전지 케이스(13)의 폴딩부(136)와 접촉한다. 이 때, 제1 가이드(21)가 어느 정도의 두께를 가지므로, 종래에서 박쥐 귀(2)를 형성했을 폴딩부(136)의 일부(1361)가, 제1 가이드(21)의 주변을 포위하는데 사용된다. 그리고 제1 가이드(21)가 상기 폴딩부(136)를 외측으로 밀어낸다(S904). 그럼으로써 도 14에 도시된 바와 같이, 폴딩부(136)가 상기 함몰 유도부(20)와 함께 오목한 공간(212)으로 삽입될 수 있다. 여기서 제1 가이드(21)가 가지는 두께가 과도하게 두꺼우면, 전지 케이스(13)의 실링부(134)를 통해 제1 가이드(21)가 삽입되는 것이 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 제1 가이드(21)의 두께는, 전지 케이스(13)가 폴딩되었을 때의 두께보다는 얇은 것이 바람직하다.
제2 가이드(22)는 전지 케이스(13)의 실링부(134)를 홀딩하여 전지 케이스(13)를 고정시킨다(S905). 특히 제2 가이드(22)는 도 14에 도시된 바와 같이, 폴딩부(136)를 포함하며 전극 탭(11)이 돌출되는 제1 실링부(1341) 및 제2 실링부(1342)를 각각 홀딩하는 것이 바람직하다. 이러한 제2 가이드(22)는 실링부(134)를 용이하게 홀딩하기 위해 집게 형상을 가지며, 상기 실링부(134)를 양 면으로부터 홀딩할 수 있다.
제2 가이드(22)가 실링부(134)를 홀딩할 때, 실링부(134)의 전체를 홀딩하는 것보다, 도 14에 도시된 바와 같이, 폴딩부(136)를 제외하고 홀딩하는 것이 바람직하다. 제1 가이드(21)가 아직 전지 케이스(13)에 삽입되어 있으므로, 제1 가이드(21)가 삽입되어 있는 폴딩부(136)까지 제2 가이드(22)가 홀딩하면, 제1 가이드(21)가 추후에 용이하게 전지 케이스(13)로부터 인출될 수 없기 때문이다.
추후에 실링 툴(23)이 실링부(134)를 실링할 때, 제2 가이드(22)가 실링부(134)를 계속 홀딩하여 전지 케이스(13)를 고정하는 것이 바람직하다. 그런데, 제2 가이드(22)가 실링부(134)의 중심 영역을 홀딩한다면, 오히려 제2 가이드(22)가 실링부(134)의 실링을 방해할 수 있다. 따라서, 제2 가이드(22)는 실링부(134)에서 최대한 컵부(133)에 인접한 영역을 홀딩하는 것이 바람직하다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가이드(21)가 파우치 형 전지 케이스(13)로부터 인출되는 모습을 나타낸 개략도이고, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 실링 툴(23)이 파우치 형 전지 케이스(13)의 실링부(134)를 실링하는 모습을 나타낸 개략도이다.
제1 가이드(21)는 도 15에 도시된 바와 같이, 실링부(134)가 실링되기 전에 전지 케이스(13)로부터 인출된다(S906). 실링부(134)가 실링될 때 제1 가이드(21)가 함께 실링되는 것이 아니기 때문이다. 그리고 실링 툴(23)을 이용하여, 실링부(134)에 열 및 압력을 인가하여 실링부(134)를 실링한다(S907). 이 때, 상기 기술한 바와 같이, 제2 가이드(22)가 실링부(134)의 실링을 방해할 수 있으므로, 제2 가이드(22)는 실링부(134)에서 최대한 컵부(133)에 인접한 영역을 홀딩한다. 그러면, 실링 툴(23)은 도 16에 도시된 바와 같이, 실링부(134)에서 제2 가이드(22)가 홀딩한 영역의 외측을 실링한다. 이 때, 실링부(134)가 견고하게 실링되기 위해서는, 실링되는 영역이 최대한 넓어야 한다. 따라서, 제2 가이드(22)는 최대한 폭이 얇은 것이 바람직하다.
상기 기술한 바와 같이, 제2 가이드(22)는 폴딩부(136)를 제외하고 실링부(134)를 홀딩할 수 있다. 반면에, 실링 툴(23)은 도 16에 도시된 바와 같이, 폴딩부(136)까지 포함하여, 실링부(134)의 양 단까지 실링할 수 있다. 실링부(134)를 실링할 때 폴딩부(136)를 제외하고 실링하면, 내부의 전해액이 누출되거나, 외부의 이물질이 침투하는 문제가 발생하기 때문이다.
제1 가이드(21)를 인출하고 전지 케이스(13)의 실링부(134)를 실링하면, 제1 가이드(21)의 오목한 공간(212)으로 삽입되었던 함몰부(1362)에 의해, 폴딩부(136)가 전체적으로 내측으로 함몰되어 실링된다. 따라서 박쥐 귀(2)의 형성을 방지하여, 이차 전지(1)의 설계된 사이즈에서 발생하는 오차를 감소시킬 수 있고, 이차 전지(1)들을 전지 모듈 등으로 용이하게 조립할 수 있다. 또한, 불필요한 공간을 제거하여 전체적으로 이차 전지(1)의 부피를 감소시키므로, 부피 대비 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이차 전지 2: 박쥐 귀
10: 전극 조립체 11: 전극 탭
12: 전극 리드 13: 전지 케이스
14: 절연부 20: 함몰 유도부
21: 제1 가이드 22: 제2 가이드
23: 실링 툴 111: 양극 탭
112: 음극 탭 121: 양극 리드
122: 음극 리드 131: 제1 케이스
132: 제2 케이스 133: 컵부
134: 실링부 135: 수납부
136: 폴딩부 1331: 제1 컵부
1332: 제2 컵부 1341: 제1 실링부
1342: 제2 실링부 1361: 폴딩부의 일부
1362: 함몰부

Claims (13)

  1. 이차 전지의 전지 케이스가 폴딩되면, 상기 전지 케이스에서 폴딩되는 폴딩부를 내측으로 함몰시켜 함몰부를 형성하는 함몰 유도부;
    일단의 일측이 함몰되어 오목한 공간을 형성하며, 상기 일단이 상기 전지 케이스에 삽입되어 상기 폴딩부를 외측으로 밀어내면서, 상기 함몰 유도부가 상기 오목한 공간으로 삽입되는 제1 가이드; 및
    상기 전지 케이스의 실링부를 홀딩하여 상기 전지 케이스를 고정시키는 제2 가이드를 포함하는 이차 전지 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 함몰 유도부는,
    복수로 형성되며,
    서로를 향하는 방향과 나란한 방향으로 직선 이동하는 이차 전지 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가이드는,
    상기 실링부가 실링되기 전에 상기 실링부를 통해, 상기 전지 케이스에 삽입되는 이차 전지 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가이드가 상기 폴딩부를 외측으로 밀어내면, 상기 폴딩부가 상기 함몰 유도부와 함께 상기 오목한 공간으로 삽입되어 함몰부를 형성하는 이차 전지 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가이드는,
    상기 일단의 일측이 내측으로 함몰되어 필렛팅되는 이차 전지 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가이드는,
    상기 일단의 일측이 내측으로 함몰되며 챔퍼링되어, 복수의 평면으로 상기 오목한 공간을 형성하고, 상기 복수의 평면들이 서로 이루는 외각이 둔각을 형성하는 이차 전지 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실링부에 열 및 압력을 인가하여 상기 실링부를 실링하는 실링 툴을 더 포함하는 이차 전지 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 가이드는,
    상기 실링부가 실링되기 전에, 상기 전지 케이스로부터 인출되는 이차 전지 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가이드는,
    두께가 상기 전지 케이스가 폴딩되었을 때의 두께보다 얇은 이차 전지 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 가이드는,
    집게 형상을 가지며, 상기 실링부를 양 면으로부터 홀딩하는 이차 전지 제조 장치.
  11. 전극 및 분리막이 교대로 적층되어 형성되는 전극 조립체를, 이차 전지의 전지 케이스에 수납하는 단계;
    상기 전지 케이스가 폴딩되면, 함몰 유도부가 상기 전지 케이스에서 폴딩되는 폴딩부를 내측으로 함몰시켜 함몰부를 형성하는 단계;
    일단의 일측이 함몰되어 오목한 공간을 형성하는 제1 가이드의 상기 일단을 상기 전지 케이스에 삽입하는 단계;
    상기 제1 가이드가 상기 전지 케이스의 폴딩부를 외측으로 밀어내면서, 상기 폴딩부가 상기 함몰 유도부와 함께 상기 오목한 공간으로 삽입되는 단계;
    제2 가이드가 상기 전지 케이스의 실링부를 홀딩하여 상기 전지 케이스를 고정시키는 단계; 및
    실링 툴이 상기 실링부에 열 및 압력을 인가하여 상기 실링부를 실링하는 단계를 포함하는 이차 전지 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전지 케이스를 고정시키는 단계 이후 및 상기 실링부를 실링하는 단계 이전에,
    상기 제1 가이드를 상기 전지 케이스로부터 인출하는 단계를 더 포함하는 이차 전지 제조 방법.
  13. 제11항에 따른 이차 전지 제조 방법으로 제조된 이차 전지.
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