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KR20220136260A - 배터리 셀 제조방법, 배터리 셀 제조장치 - Google Patents

배터리 셀 제조방법, 배터리 셀 제조장치 Download PDF

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KR20220136260A
KR20220136260A KR1020220039840A KR20220039840A KR20220136260A KR 20220136260 A KR20220136260 A KR 20220136260A KR 1020220039840 A KR1020220039840 A KR 1020220039840A KR 20220039840 A KR20220039840 A KR 20220039840A KR 20220136260 A KR20220136260 A KR 20220136260A
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KR
South Korea
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electrode
battery
exhaust chamber
terminal
battery cell
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020220039840A
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English (en)
Inventor
심형섭
이준오
심규헌
이길영
김건우
김민태
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.)
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Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 (A) 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔을 배기 챔버 내에 배치하거나, 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합하는 단계; (B) 상기 배기 챔버를 불활성 분위기로 조절하는 단계; 및 (C) 상기 전극 조립체에 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고, 상기 초기 충전으로 발생한 배출 가스를 상기 배기 챔버를 통해서 배출시키는 단계를 포함하는 배터리 셀 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔을 배치하거나 상기 개방부를 밀폐시키도록 결합할 수 있는 배기 챔버를 포함하는 것인 배터리 셀 제조장치를 제공한다.

Description

배터리 셀 제조방법, 배터리 셀 제조장치{BATTERY CELL MANUFACTURING METHOD, BATTARY CELL MANUFACTURING DEVICE}
본 출원은 2021년 3월 31일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0042363호의 출원일의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 배터리 셀 제조방법, 배터리 셀 제조장치에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 이차 전지 셀의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리 셀이 알려져 있다. 상기 배터리 셀은 원통형 배터리 셀일 수 있다. 상기 배터리 셀은 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 캔의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 전극 단자는 전지 캔이다.
그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 배터리 셀에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
18650이나 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리 셀은 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리 셀을 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리 셀이 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 가스 발생에 의한 발화 등 안전상의 문제를 완화한 배터리 셀 제조방법 및 배터리 셀 제조장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는 (A) 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔을 배기 챔버 내에 배치하거나, 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합하는 단계; (B) 상기 배기 챔버를 불활성 분위기로 조절하는 단계; 및 (C) 상기 전극 조립체에 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고, 상기 초기 충전으로 발생한 배출 가스를 상기 배기 챔버를 통해서 배출시키는 단계를 포함하는 배터리 셀 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔을 배치하거나 상기 개방부를 밀폐시키도록 결합할 수 있는 배기 챔버를 포함하는 것인 배터리 셀 제조장치를 제공한다.
배터리 셀 제조방법의 경우, 배터리 셀의 조립 완료 후 활성화 공정을 수행하기 전에 초기 충전(Pre-Charge)을 진행하므로, 이 과정에서 발생한 가스를 배출시키는 단계는 수행되지 않는다.
용량 및/또는 출력이 향상된 배터리 셀의 경우, 21700 원통형 셀 대비하여 사이즈가 증가함에 따라 충전 시에 가스의 생성량이 부피 기준으로 기존보다 대략 2.5배 내지 3.5배까지 증가하게 되고, 이로 인해 초기 충전(Pre-Charge) 공정에서 가스 배출이 함께 진행되지 않는다면 안전에 취약할 수 있다. 이러한 이유에서 충전 시에 가스를 배출할 수 있도록 하는 설비/공정이 요구된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔을 배기 챔버 내에 배치하거나, 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합함으로써 초기 충전(Pre-Charge) 진행시에 발생하는 배출 가스를 상기 개방부 및 상기 배기 챔버를 통하여 배출시킬 수 있다. 따라서, 용량 및/또는 출력이 향상된 배터리 셀의 초기 충전 진행 시에 기존 대비 가스의 발생량이 크게 증가되더라도 초기 충전 과정에서 이를 원활하게 배출하면서 공정이 진행되므로 안전성 문제를 해소할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전지 캔 일측의 개방된 상태에서 초기 충전(Pre-Charge)함으로써 일반 상태보다 많은 유증기(gas)가 발생하고, 발화점인 충전 핀에 의하여 화재, 폭발의 위험성이 있으므로 상기 배기 챔버를 불활성 분위기로 조절하거나, 바람직하게는 질소 가스를 주입하여 발화되지 않도록 산소 농도를 낮추어서 고온 환경에서 초기 충전(Pre-Charge)시 안전상의 문제를 최소화 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기와 같은 가스 배출 문제를 해결함으로써, 배터리셀의 크기를 증가시킬 수 있으며, 이는 배터리 셀의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 캔 내의 공간 효율성을 증가시켜 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킴으로써 구현될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 배터리 셀 제조방법에서 전지 캔의 개방부가 밀봉체에 의해 밀폐된 상태에서 초기 충전(Pre-Charge)이 수행되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 제조방법에서 전지 캔의 개방부가 개방된 상태로, 음극 단자 및 양극 단자가 전지 캔 바닥면에 구비되어 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고, 배출 가스를 배출시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 제조방법에서 전지 캔의 개방부가 개방된 상태로, 음극 단자는 전지 캔의 바닥에 구비되고, 양극 단자는 상기 바닥과 대향하는 전극 조립체의 타 단부에 구비되며, 전극 조립체의 양 단부에서 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고 배출 가스를 배출시키는 것을 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 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.
본 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, 명세서에 기재된 "…부", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다. 이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 (A) 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔을 배기 챔버 내에 배치하거나, 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합하는 단계; (B) 상기 배기 챔버를 불활성 분위기로 조절하는 단계; 및 (C) 상기 전극 조립체에 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고, 상기 초기 충전으로 발생한 배출 가스를 상기 배기 챔버를 통해서 배출시키는 단계를 포함하는 배터리 셀 제조방법을 제공한다.
상기 각 단계들의 순서는 기재 순서에 의하여 한정되는 것은 아니다. 일 예에서, 상기 (B) 단계가 상기 (A) 단계보다 먼저 수행될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔은 배기 챔버 내에 배치될 수 있다.
상기 배기 챔버 내에는 전지 캔에 수용된 전극 조립체의 양 단부에서 충전 가능하도록 충전 단자가 위치할 수 있으며, 충전 단자는 전지 캔의 일 단부에 위치할 수도 있다.
상기 전극 조립체의 단부란 전극 조립체의 권취축의 수직 방향의 단부를 의미한다.
상기 전지 캔이 상기 배기 챔버 내에 배치됨으로써 초기 충전(Pre-Charge) 진행시에 발생하는 가스를 상기 개방부 및 상기 배기 챔버를 통하여 배출시킬 수 있고, 전극 조립체의 양 단부에 충전 단자가 위치함으로써 배기 챔버 내의 불활성 분위기에서의 초기 충전이 가능하며, 안전상의 문제를 최소화 할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 전극 조립체 및 전해액을 수용하고 있고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔은 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합할 수 있다.
상기 일측에 개방부를 갖는 전지 캔은 상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하기 위한 밀봉체에 의하여 결합되지 않은 개방된 상태로 상기 배기 챔버와 결합하여 밀폐된 상태를 유지할 수 있다.
이와 같이, 밀폐된 상태를 유지함으로써 배기 챔버를 불활성 분위기로 조절할 수 있다. 그 외에도 배기 챔버를 불활성 분위기로 조절할 수 있는 것이라면 밀폐 상태에 한정되는 것은 아니다.
상기 배기 챔버를 불활성 분위기로 유지하여 충전 핀에 의한 화재, 폭발의 위험성을 최소화 할 수 있으며, 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합함으로써 초기 충전(Pre-Charge) 진행시에 발생하는 배출 가스를 상기 개방부 및 상기 배기 챔버를 통하여 배출시킬 수 있다.
또한, 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합함으로써 초기 충전(Pre-Charge) 진행시에 발생하는 유증기는 상기 배기 챔버를 통해 배출되며, 발화점인 충전 핀과는 공간적으로 분리될 수 있어, 고온 환경에서도 초기 충전(Pre-Charge)시 발생할 수 있는 안전상의 문제를 최소화 할 수 있다.
상기 전지 캔은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 캔은 스틸 재질로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시상태에 따르면, 상기 배기 챔버를 불활성 분위기로 조절하는 것은 상기 배기 챔버 내의 산소 농도를 4vol% 이하로 조절함으로써 수행된다.
상기 배기 챔버 내의 산소 농도가 4vol% 이하로 조절된다면, 발화의 3 요소인 발화점, 유증기, 산소 중에서 산소의 농도가 발화되지 않을 상태가 되므로 초기 충전시 발생할 수 있는 안전성 문제를 해소할 수 있다.
상기 배기 챔버는 진공 상태일 수 있으며, 그 외에도 상기 배기 챔버 내의 불활성 분위기로 유지할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.
상기 배기 챔버를 불활성 분위기로 유지하여 유증기가 많은 고온 환경에서 초기 충전(Pre-Charge)시 안전상의 문제를 완화할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체에 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고, 상기 초기 충전으로 발생한 배출 가스를 상기 배기 챔버를 통해서 배출시키는 단계는 배기 챔버가 불활성 분위기로 조절된 상태에서 전지 캔의 일측이 개방되어 수행될 수 있다.
따라서 초기 충전(Pre-Charge) 진행시에 발생하는 가스를 상기 전지 캔의 개방부 및 상기 배기 챔버를 통하여 배출시킬 수 있다. 초기 충전 과정에서 발생하는 가스를 원활하게 배출하면서 공정이 진행되므로 안전성 문제를 해소할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀은 원통형 배터리 셀일 수 있다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 배터리 셀 제조방법에서 전지 캔의 개방부(3)가 밀봉체에 의해 밀폐된 상태에서 초기 충전(Pre-Charge)이 수행되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 셀 제조방법에서 배터리 셀의 조립 완료 후, 초기 충전(Pre-Charge)을 진행할 수 있다. 일 예에서, 전지 캔이 밀봉체에 의하여 밀폐된 상태에서 초기 충전을 진행할 수 있으며, 이 과정에서 발생한 배출 가스를 배출시키는 단계는 수행되지 않는다.
이와 같이, 배터리 셀의 조립 완료 후에 초기 충전(Pre-Charge)이 진행되는 경우, 내부에 생성되는 가스의 양이 많아지고 이로 인한 내압이 지나치게 상승하면 안전상의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 특히 용량 및/또는 출력이 향상된 셀의 경우에는, 본 발명과 같이 전극 조립체 및 전해액이 수용된 전지 캔의 일측 개방부(3)가 개방된 상태로 초기 충전(Pre-Charge)을 수행함으로써 가스 배출 단계 또한 동시에 수월하게 진행될 수 있도록 할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 제조방법에서 전지 캔의 개방부(3)가 개방된 상태로, 음극 단자 및 양극 단자가 전지 캔 바닥면에 구비되어 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고, 상기 전지 캔의 개방부(3)로 배출 가스를 배출시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전지 캔의 일측 개방부(3)의 반대편, 즉 전지 캔의 바닥(20)에서 양극 단자 및 음극 단자의 전기적 연결이 모두 이루어지는 구조를 갖는 배터리 셀(100)이 도시된다.
이러한 배터리 셀(100)은, 상기 바닥(20)에 형성된 관통 홀(30)을 통해 리벳팅된 전극 단자(10) 및 상기 전극 단자(10)를 상기 전지 캔(2)과 절연시키기 위해 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓(40)을 포함한다.
이러한 원통형 배터리 셀의 경우, 상기 바닥면에 음극 단자가 구비되고, 상기 리벳팅된 전극 단자는 양극 단자일 수 있다.
따라서, (+) 충전 핀(5) 및 (-) 충전 핀(6)을 원통형 배터리 셀의 일측으로부터 접근시키고, 각각 양극 단자 및 음극 단자에 연결시켜 초기 충전(Pre-Charge)를 진행할 수 있다. 상기 연결은 상기 (+) 충전 핀(5) 및 (-) 충전 핀(6)을 상기 양극 단자 및 음극 단자에 접촉시키는 것일 수 있다.
원통형 셀의 일 방향에서 충전이 진행되므로, 상기 배기 챔버(7)가 전지 캔의 개방부(3)에 맞는 형상으로 구비되어 개방부(3)를 밀폐하면서 결합될 수 있고, 이에 충전 핀과의 간섭 없이 안전한 배기가 가능하다. 즉, 발화점인 충전 핀과 배기 챔버가 공간적으로 분리될 수 있어, 고온 환경에서도 초기 충전(Pre-Charge)시 발생할 수 있는 안전상의 문제를 최소화 할 수 있다.
이 때, 양극 단자와 음극 단자가 형성된 전지 캔의 바닥(20)의 반대편은 개방되어 있으므로 이 개방부를 통해 초기 충전(Pre-Charge) 단계에서 발생되는 배출 가스를 배출할 수 있다.
따라서, 초기 충전(Pre-Charge)단계 및 가스를 배출 단계가 동시에 수행될 수 있어 공정이 신속하고 간편하다는 장점이 있다.
상기 가스를 배출 단계를 위해, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔(2)은 상기 개방부(3)에 배기 챔버(7)를 밀폐시키도록 결합시킬 수 있다. 이는 초기 충전 과정에서 발생하는 가스를 원활하게 배출하면서 공정이 진행되므로 안전성 문제를 해소할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 제조방법에서 전지 캔의 개방부(3)가 개방된 상태로, 음극 단자는 전지 캔의 바닥(20)에 구비되고, 양극 단자는 상기 바닥과 대향하는 전극 조립체의 타 단부에 구비되며, 전극 조립체의 양 단부에서 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고 배출 가스를 배출시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 원통형 배터리 셀은, 상기 바닥(20)과 대향하는 전극 조립체의 타 단부에 구비되는 양극 무지부(50)와 전기적으로 연결되는 양극 집전판(4)을 포함하며, 상기 집전판에 구비된 양극 리드탭(70)이 전지 캔의 상단 개방부를 통해 외부로 노출되고 상기 양극 리드탭(70)은 (+) 충전 핀(5)에 접촉된다.
또한, 전극 조립체의 음극 무지부(50')와 전기적으로 연결되는 전지 캔의 바닥면에는 (-) 충전 핀(6)이 접촉된다.
이 경우, 양극 리드탭(70)에 접촉되는 (+) 충전 핀(5)은, 예를 들어, 양극 리드탭(70)이 삽입될 수 있는 슬릿을 구비하거나, 또는 양극 리드탭(70)의 양 표면을 잡을 수 있는 그립을 구비하는 구조를 가질 수 있다.
도 3에 도시된 공정의 경우에도 도 2에서와 마찬가지로 전지 캔의 일측이 상기 밀봉체에 의해 밀봉되지 않고 개방된 상태에서 초기 충전(Pre-Charge)이 이루어지기 때문에 개방부(3)를 통해 가스 배출을 용이하게 수행할 수 있다.
가스 배출 단계는 앞서 설명한 바와 마찬가지로 상부가 개방된 상태의 일측에 개방부(3)를 갖는 전지 캔을 배기 챔버 내에 배치시킨 후 초기 충전(Pre-Charge)에서 발생되는 배출 가스를 제거할 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 전지 캔의 일측이 개방된 상태의 원통형 배터리 셀들은 펠릿(Pallet)에 적재된 상태로 개별 채널을 통해 초기 충전(Pre-Charge)될 수 있고, 이 과정에서 생성되는 가스는 배기 챔버(7)를 통해 원통형 배터리 셀의 내부로부터 제거될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조이고, 상기 제1 전극과 상기 전지 캔(2)은 전기적으로 연결되고, 상기 배터리 셀은 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전극 단자(10)를 더 포함한다.
여기서, 상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 배기 챔버(7)를 불활성 분위기로 조절하는 단계는 상기 배기 챔버 내의 산소 농도가 4vol% 이하로 조절되는 것일 수 있으며, 상기 단계는 상기 배기 챔버(7)에 불활성 가스를 주입하는 단계일 수 있다.
배기 챔버 내에 산소 농도를 4vol% 이하로 조절함으로써 상기 배기 챔버(7)를 불활성 분위기로 조절할 수 있고, 이는 상기 배기 챔버(7)에 불활성 가스를 주입함으로써 조절될 수 있다.
상기 배기 챔버(7) 내의 산소 농도가 4vol% 이하로 조절되면, 발화의 3 요소 중에서 산소의 농도가 발화되지 않을 상태가 되므로 초기 충전시 발생할 수 있는 안전성 문제를 해소할 수 있다.
이 경우, 상기 배기 챔버(7)에 주입되는 불활성 가스는 질소 가스일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 배기 챔버(7)에 주입되는 불활성 가스는 상기 전극 조립체에 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하는 공정 중에 지속적으로 공급되어 상기 배기 챔버(7)를 불활성 분위기로 조절할 수 있다. 상기 불활성 가스는 예컨대, 질소 가스일 수 있는데 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시상태에 따르면, 배기 챔버(7)는 불활성 가스를 주입하는 주입부(8)와 배출 가스를 배출하는 배기부(9)를 포함할 수 있다.
상기 주입부(8) 및 상기 배기부(9)는 가스를 주입하고 배출하는 부분이라면 그 구조나 위치에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 주입부(8) 및 상기 배기부(9)는 주입되는 가스가 원활하게 순환할 수 있도록 상기 배기 챔버(7)의 일 단면이나 대각선 방향에 구비될 수 있다.
상기 주입부(8)에 주입되는 불활성 가스의 압력은 0.2mpa 이상, 0.3mpa 이상 또는 0.4mpa 이상일 수 있다. 상기 주입부(8)에 주입되는 불활성 가스의 압력은 0.8mpa 이하, 0.7mpa 이하 또는 0.6mpa 이하일 수 있다.
상기 배기부(9)로 배출되는 배출 가스의 압력은 상기 주입부(8)에 주입되는 불활성 가스의 압력 또는 배터리 셀의 사이즈에 따라서 달라질 수 있다.
상기 주입부(8)에는 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 장치가 연결될 수 있으며, 상기 가스 공급 장치는 불활성 가스를 일정한 압력으로 지속적으로 공급하여 상기 배기 챔버 내 불활성 분위기를 유지할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 주입부(8)를 통하여 주입하고, 상기 배기부(9)를 통하여 배출되는 불활성 가스의 흐름을 화살표로 표시한다.
일 실시상태에 따르면, 상기 불활성 가스를 주입하는 단계는 상기 주입부(8)를 통하여 배기 챔버(7) 내의 산소 농도가 4vol% 이하일 때까지 수행될 수 있다. 상기 배기 챔버(7) 내의 산소 농도가 4vol% 이하일 때까지 불활성 가스가 주입됨으로써 상기 배기 챔버(7) 내 불활성 분위기를 유지할 수 있고, 이에 유증기가 많은 고온 환경에서 초기 충전(Pre-Charge)시 안전상의 문제를 완화할 수 있다.
상기 배기 챔버(7) 내의 산소 농도가 4vol% 이하로 조절된다면, 발화의 3 요소인 발화점, 유증기, 산소 중에서 산소의 농도가 발화되지 않을 상태가 되므로 초기 충전시 발생할 수 있는 안전성 문제를 해소할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 전지 캔(2)을 배기 챔버(7) 내에 배치하거나 상기 개방부(3)에 배기 챔버(7)를 결합하기 전에 상기 배기 챔버(7) 내에 불활성 가스를 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 배기 챔버(7) 내 불활성 분위기를 신속하게 조절할 수 있으며, 안정상의 문제를 최소화 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부(3)를 갖는 전지 캔(2)의 상기 개방부(3)에 배기 챔버(7)를 밀폐시키도록 결합하는 단계에서, 상기 전지 캔(2)은 상기 전지 캔의 바닥(20)에 형성된 관통 홀(30)을 통해 리벳팅된 전극 단자(10) 및 상기 전극 단자(10)와 상기 관통 홀(30)의 외경 사이에 구비된 가스켓(40)을 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 단자(10)는 상기 관통 홀(30)에 삽입된 몸체부(11); 상기 바닥의 외부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부(12); 상기 바닥의 내부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부(13); 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부(14)를 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 전지 캔(2)은 전지 캔의 바닥(20)에 리벳팅된 전극 단자(10)를 포함할 수 있다. 일 예로, 전지 캔의 바닥(20)에 리벳팅된 전극 단자(10)는 리벳팅 구조일 수 있다.
상기 리벳팅 구조에 따르면, 양극 단자와 음극 단자가 원통형 셀의 일 단부에 모두 구비되어 원통형 셀의 일 단부에서 충전이 진행될 수 있다. 상기 원통형 셀의 일 단부는 전지 캔 바닥면일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 배터리 셀(100)은 상기 전지 캔의 바닥(20)에 구비된 음극 단자를 포함하고, 상기 리벳팅된 전극 단자(10)는 양극 단자이며, 상기 초기 충전은 상기 음극 단자 및 양극 단자에 충전 단자를 연결하여 수행될 수 있다.
상기 음극 단자 및 상기 양극 단자는 전지 캔 바닥면에 구비될 수 있다.
따라서, 타 방향에 불활성 가스 공급과 가스 배출을 위한 상기 배기 챔버(7)가 전지 캔의 개방부(3)에 맞는 형상으로 구비되어 개방부(3)를 밀폐하면서 결합되고 이에, 충전 핀(5, 6)과의 간섭 없이 안전한 배기가 가능하다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 전극 단자(10)의 리벳팅 구조는, 일측이 개방된 원통형의 전지 캔(2)과, 전지 캔(2)의 바닥(20)에 형성된 관통 홀(30)을 통해 리벳팅된 전극 단자(10)와, 전극 단자(10)와 관통 홀(30)의 외경 사이에 구비된 가스켓(40)을 포함할 수 있다.
전지 캔(2)은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 캔(2)은 스틸 재질로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전극 단자(10)는 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전극 단자(10)는 알루미늄으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
가스켓(40)은 절연성 및 탄성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 가스켓(40)은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 전극 단자(10)는, 관통 홀(30)에 삽입된 몸체부(11), 전지 캔(2) 바닥(20)의 외부면을 통해 노출된 몸체부(11)의 일측 둘레로부터 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부(12) 및 전지 캔(2) 바닥(20)의 내부면을 통해 노출된 몸체부(11)의 타측 둘레로부터 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부(13) 및 내부 플랜지부(13)의 내측에 구비된 평탄부(14)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 평탄부(14)와 전지 캔(2) 바닥(20)의 내부면은 서로 평행할 수 있다. 여기서, '평행'이라 함은 육안으로 관찰했을 때 실질적으로 평행한 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 단자(10)의 리벳팅 구조는 상하 운동을 하는 콜킹 지그를 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 전지 캔(2)의 바닥(20)에 형성된 관통 홀(30)에 가스켓(40)을 개재시켜 전극 단자(10)의 프리폼(미도시)을 삽입한다. 프리폼은 리벳팅 되기 전의 전극 단자를 지칭한다.
다음으로, 콜킹 지그를 전지 캔(2)의 내측 공간으로 삽입한다. 콜킹 지그는 프리폼을 리벳팅하여 전극 단자(10)를 형성하기 위해 프리폼과 대향하는 면에 전극 단자(10)의 최종 형상에 대응되는 홈과 돌기를 가진다.
다음으로, 콜킹 지그를 하부로 이동시켜 프리폼의 상부를 가압 포밍하여 프리폼을 리벳팅된 전극 단자(10)로 변형시킨다.
콜킹 지그에 의해 프리폼이 가압되는 동안, 외부 플랜지부(12)와 전지 캔(2) 바닥(20)의 외부면 사이에 개재된 가스켓(40) 부분이 탄성적으로 압축되면서 그 두께가 감소한다. 이에 따라, 리벳팅된 전극 단자(10)와 전지 캔(2) 사이의 실링성 및 밀폐성이 현저하게 향상된다.
바람직하게, 가스켓(40)은 프리폼이 리벳팅되는 과정에서 물리적으로 손상되지 않으면서 소망하는 실링 강도를 확보할 수 있도록 충분히 압축되는 것이 바람직하다.
일 예에서, 가스켓(40)이 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어진 경우, 가스켓(40)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 50% 이상인 것이 바람직하다. 압축율은 압축전 두께에 대한 압축 전후의 두께 변화의 비율이다.
다른 예에서, 가스켓(40)이 폴리플루오르에틸렌으로 이루어진 경우, 가스켓(40)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다.
또 다른 예에서, 가스켓(40)이 폴리프로필렌으로 이루어진 경우, 가스켓(40)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다.
바람직하게, 콜킹 지그의 상하 이동을 적어도 2회 이상 실시하여 프리폼 상부의 가압 포밍을 단계적으로 진행할 수 있다. 즉, 프리폼을 단계적으로 가압 포밍하여 여러 번에 걸쳐 변형할 수 있다. 이 때, 콜킹 지그에 가해지는 압력을 단계적으로 증가시킬 수 있다. 이렇게 하면, 프리폼에 가해지는 응력을 여러 번으로 분산시킴으로써 콜킹 공정이 진행되는 동안 가스켓(40)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
콜킹 지그를 이용한 프리폼의 가압 포밍이 완료된 후, 콜킹 지그를 전지 캔(2)으로부터 분리시키면, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(10)의 리벳팅 구조를 얻을 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 코킹 지그는 전지 캔(2)의 내부에서 상하 운동을 통해 프리폼의 상부를 가압 포밍한다. 경우에 따라, 프리폼의 가압 포밍을 위해 종래 기술에서 사용되는 로타리(rotary) 회전 지그가 사용될 수 있다.
다만, 로타리 회전 지그는 전지 캔(2)의 중심 축을 기준으로 소정 각도로 기울어진 상태에서 회전 운동을 한다. 따라서, 회전 반경이 큰 로타리 회전 지그는 전지 캔(2)의 내벽과 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 전지 캔(2)의 깊이가 큰 경우 로타리 회전 지그의 길이도 그만큼 길어진다. 이 경우, 로타리 회전 지그 단부의 회전반경이 커지면서 프리폼의 가압 포밍이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 콜킹 지그를 이용한 가압 포밍이 로타리 회전 지그를 이용한 방식보다 더욱 효과적이다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(10)의 리벳팅 구조는 배터리 셀(100)에 적용이 가능하다.
일 예에서, 상기 배터리 셀은 전지 캔을 포함할 수 있다. 상기 전지 캔은 원통형일 수 있다. 그 크기는 양단부의 원형의 직경이 30 mm 내지 55 mm, 높이가 60 mm 내지 120 mm일 수 있다. 바람직하게, 원통형 전지 캔의 원형 직경 x 높이는 46 mm x 60 mm, 46 mm x 80 mm, 46 mm x 90 mm 또는 46 mm x 120 mm 일 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4보다 큰 원통형 배터리 셀일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀, 46900 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 90mm이고, 폼 팩터의 비는 0.511인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리 셀들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등이 이용되었다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 21700셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀(100)은 쉬트 형상의 제1 전극과 제2 전극이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 양측 단부로부터 연장되어 노출된 상기 제1 전극(50') 및 상기 제2 전극의 무지부(50)를 포함하는 전극 조립체를 포함한다.
본 발명의 실시상태에 따른 전극은 전극판일 수 있으며, 일 실시예에서, 제1 전극은 음극판이고 제2 전극은 양극판일 수 있다. 물론, 그 반대의 경우도 가능하다.
배터리 셀(100)은 또한 전극 조립체를 수납하며 제1 전극의 무지부(50')와 전기적으로 연결된 전지 캔(2)을 포함한다.
바람직하게, 전지 캔(2)의 일 측은 개방되어 있다. 또한, 전지 캔(2)의 바닥(20)은 전극 단자(10)가 콜킹 공정을 통해 관통 홀(30)에 리벳팅된 구조를 가진다.
배터리 셀(100)은 또한 전극 단자(10)와 관통 홀(30)의 외경 사이에 구비된 가스켓(40)을 포함할 수 있다.
배터리 셀(100)은 또한 전지 캔(2)으로부터 절연 가능하도록 전지 캔(2)의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체(미도시)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 밀봉체는 극성이 없는 캡 플레이트 및 캡 플레이트의 가장자리와 전지 캔의 개방 단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함할 수 있다.
캡 플레이트는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 밀봉 가스켓은 절연성 및 탄성이 있는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있다. 하지만, 본 발명이 캡 플레이트와 밀봉 가스켓의 소재에 의해 한정되는 것은 아니다.
캡 플레이트는 전지 캔 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치를 포함할 수 있다. 벤트 노치는 캡 플레이트의 양면에 형성될 수 있다. 벤트 노치는 캡 플레이트의 표면에서 연속적 또는 불연속적인 원형 패턴, 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴을 형성할 수 있다.
전지 캔(2)은, 밀봉체(미도시)를 고정하기 위해, 전지 캔(2)의 내측으로 연장 및 절곡되어 밀봉 가스켓과 함께 캡 플레이트의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부를 포함할 수 있다.
전지 캔(2)은 또한 개방 단부에 인접한 영역에 전지 캔(2)의 내측으로 압입된 비딩부를 포함할 수 있다. 비딩부는 밀봉체가 클림핑부에 의해 고정될 때, 밀봉체의 가장자리, 특히 밀봉 가스켓의 외주 표면을 지지한다.
배터리 셀(100)은 또한 제1 전극의 무지부(50')와 용접되는 집전판(4')을 더 포함할 수 있다. 상기 집전판은 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어진다. 바람직하게, 집전판은 제1 전극의 무지부(50')와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부가 비딩부와 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 클림핑부에 의해 고정될 수 있다.
배터리 셀(100)은 또한 제2 전극의 무지부(50)와 용접되는 집전판(4)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 집전판(4)의 적어도 일부는 전극 단자(10)의 평탄부(14)와 용접될 수 있다.
바람직하게, 집전판(4)이 용접될 때 용접 도구는 전극 조립체의 코어에 존재하는 공동을 통해 삽입되어 집전판(4)의 용접 지점까지 도달될 수 있다. 또한, 집전판(4)가 전극 단자(10)의 평탄부(14)에 용접될 때 전극 단자(10)가 집전판(4)의 용접 영역을 지지하므로 용접 영역에 강한 압력을 인가하여 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 단자(10)의 평탄부(14)는 면적이 넓으므로 용접 영역 또한 넓게 확보할 수 있다. 이로써, 용접 영역의 접촉 저항을 낮춤으로써 배터리 셀(100)의 내부 저항을 낮출 수 있다. 리벳팅된 전극 단자(10)와 집전판(4)의 면대면 용접 구조는 하이 씨레이트(c-rate) 전류를 이용한 급속 충전에 매우 유용하다. 전류가 흐르는 방향의 단면에서 단위 면적당 전류 밀도를 낮출 수 있으므로 전류 패스에서 발생되는 발열량을 종래보다 낮출 수 있기 때문이다.
전극 단자(10)의 평탄부(14)와 집전판(4)의 용접 시에는 레이저 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 및 저항 용접 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 평탄부(14)의 면적은 용접 방식에 따라 다르게 조절할 수 있는데, 용접 강도와 용접 공정의 용이성을 위해 2mm 이상인 것이 바람직하다.
일 예에서, 평탄부(14)와 집전판(4)이 레이저로 용접되고 원형 패턴의 형태로 연속적 또는 불연속적인 라인으로 용접될 경우 평탄부(14)의 직경은 4mm 이상인 것이 바람직하다. 평탄부(14)의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접 강도 확보가 가능하고, 레이저 용접 도구를 전극 조립체의 공동에 삽입하여 용접 공정을 진행하는데 어려움이 없다.
다른 예에서, 평탄부(14)와 집전판(4)이 초음파로 용접되고 원형 패턴으로 용접될 경우 평탄부(14)의 직경은 2mm 이상인 것이 바람직하다. 평탄부(14)의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접 강도 확보가 가능하고, 초음파 용접 도구를 전극 조립체의 공동에 삽입하여 용접 공정을 진행하는데 어려움이 없다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀(100)은 밀봉체(미도시)의 캡 플레이트가 극성을 갖지 않는다. 그 대신, 집전판이 전지 캔(2)의 측벽에 연결되어 있어서 전지 캔(2) 바닥(20)의 외부면이 전극 단자(10)와는 반대 극성을 가진다. 따라서, 복수의 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결하고자 할 때, 전지 캔(2) 바닥(20)의 외부면과 전극 단자(10)를 이용하여 배터리 셀(100)의 상부에서 버스 바 연결 등의 배선을 수행할 수 있다. 이를 통해, 동일 공간에 탑재할 수 있는 셀들의 수를 증가시켜 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔(2)의 개방부(3)에 배기 챔버(7)를 밀폐시키도록 결합하는 단계에서, 상기 전지 캔(2)은 상기 전지 캔의 바닥(20)에 형성된 관통 홀(30)을 통해 리벳팅된 전극 단자(10) 및 상기 전극 단자(10)와 상기 관통 홀(30)의 외경 사이에 구비된 가스켓(40)을 포함한다.
일 실시상태에 따르면, 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔(2)의 개방부(3)에 배기 챔버(7)를 밀폐시키도록 결합하는 단계에서, 배터리 셀(100)은 상기 전지 캔의 바닥(20)에 구비된 음극 단자를 포함하고, 상기 리벳팅된 전극 단자(10)는 양극 단자이며, 상기 전극 조립체에 초기 충전(Pre-Charge)을 수행 시, 상기 초기 충전은 상기 음극 단자 및 양극 단자에 충전 단자를 연결하여 수행되는 것일 수 있다.
또한, 상기 충전 단자는 상기 양극 단자와 연결되는 (+) 충전 핀(5) 및 상기 음극 단자와 연결되는 (-) 충전 핀(6)을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 음극 단자 및 양극 단자는 전지 캔 바닥면에 구비될 수 있다. 이에, 상기 전극 조립체의 일 단부에서 충전이 진행되어, 상기 배기 챔버(7)가 상기 개방부(3)를 밀폐시키도록 결합되었을 때 충전 핀과의 간섭 없이 안전한 배기가 가능하다(도 2 참조).
일 실시상태에 따르면, 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔(2)을 배기 챔버(7) 내에 배치하는 단계에서, 상기 전극 조립체는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조이고, 상기 제1 전극과 상기 전지 캔(2)은 전기적으로 연결되고, 상기 배터리 셀(100)은 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전극 단자(10)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 집전체는 상기 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부(50, 50')를 포함하며, 상기 제1 전극은 상기 전지 캔의 바닥(20)과 전기적으로 연결되고, 상기 배터리 셀은 상기 제2 전극의 상기 무지부(50)와 전기적으로 연결되는 집전판(4)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 또는 제2 전극은 쉬트 모양의 집전체에 활물질이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(50, 50')를 포함할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극의 상기 무지부(50)와 전기적으로 연결되는 집전판(4)은 상기 전극 단자와 전기적으로 연결되는 리드탭(70)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극일 수 있다.
전극 조립체는 음극, 분리막 및 양극을 순차적으로 적층시킨 후 일방향으로 권취시킬 수 있으며, 이때, 양극과 음극의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치될 수 있다.
권취 공정 이후, 양극의 무지부(50) 및 음극의 무지부(50')는 코어측으로 절곡될 수 있으며, 무지부(50, 50')에 집전판(4, 4')을 각각 용접시켜 결합시킬 수 있다.
양극 및 음극 무지부에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전판이 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체의 권취 축 방향을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리 셀의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
배터리 셀(100)은 전지 캔(2)과 밀봉체(미도시)를 포함할 수 있으며, 밀봉체는 캡 플레이트, 밀봉 가스켓 및 연결 플레이트를 포함한다. 밀봉 가스켓은 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 클림핑부에 의해 고정된다. 또한, 전극 조립체는 상하 유동을 방지하기 위해 비딩부에 의해 전지 캔(2) 내에 고정된다.
도 3을 참조하면, 통상적으로 양극 단자는 밀봉체(미도시)의 캡 플레이트이고 음극 단자는 전지 캔(2)이다. 따라서, 양극의 무지부(50)에 결합된 집전판(4)는 스트립 형태의 리드탭(70)을 통해 캡 플레이트에 부착된 연결 플레이트에 전기적으로 연결된다. 또한, 음극판의 무지부(50')에 결합된 집전판(4')은 전지 캔(2)의 바닥(20)에 전기적으로 연결된다.
집전판(4)이 연결 플레이트에 연결될 때에는 스트립 형태의 리드탭(70)이 사용된다. 리드탭(70)은 집전판(4)에 별도로 부착하거나, 집전판(4)과 일체로 제작될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전지 캔(2)을 배기 챔버(7) 내에 배치하는 단계에서, 배터리 셀(100)은 양 단부에 구비된 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 음극 단자 및 상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 양극 단자를 포함하고, 전극 조립체에 초기 충전(Pre-Charge)을 수행 시, 상기 음극 단자 및 양극 단자에 충전 단자를 연결하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 충전 단자는 상기 양극 단자와 연결되는 (+) 충전 핀(5) 및 상기 음극 단자와 연결되는 (-) 충전 핀(6)을 포함하는 것일 수 있다. 상기 충전 단자와 연결되는 상기 (+) 충전 핀(5) 및 (-) 충전 핀(6)은 상기 충전 단자에 접촉하는 것일 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시상태에 따라 상기 음극 단자 및 양극 단자는 각각 상기 전극 조립체의 양 단부에 구비될 수 있다. 상기 전극 조립체의 양 단부는 상기 전극 조립체의 권취축에서 수직인 양 단부를 의미한다.
일 실시상태에 따르면, 상기 배터리 셀(100)은 양 단부에 구비된 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 음극 단자 및 상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 양극 단자를 포함하고, 상기 초기 충전은 상기 음극 단자 및 양극 단자에 충전 단자를 연결하여 수행된다.
상기 전극 조립체의 양 단부에서 충전이 진행되어, 배기 챔버(7) 내에 상기 전지 캔(2)을 배치하였을 때 가스를 원활하게 배출하면서 공정이 진행되므로 안전성 문제를 해소할 수 있게 된다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부(3)를 갖는 전지 캔(2)을 배치하거나 상기 개방부(3)를 밀폐시키도록 결합할 수 있는 배기 챔버(7)를 포함하는 배터리 셀 제조장치를 제공한다.
일 실시상태에 따르면, 상기 배기 챔버(7)는 불활성 가스를 주입하는 주입부(8)와 상기 배출 가스를 배출하는 배기부(9)를 포함할 수 있다.
상기 주입부(8) 및 상기 배기부(9)는 상기 배기 챔버(7)의 일 측에 구비될 수 있으며, 불활성 가스를 주입하고 배출하는 부분이라면 이에 한정될 것은 아니다.
일측에 개방부(3)를 갖는 전지 캔(2)의 상기 개방부(3)를 밀폐시키도록 결합할 수 있는 배기 챔버(7)는 상기 개방부(3)의 형태와 대응되도록 결합 부위를 구비할 수 있으며, 바람직하게는 원형일 수 있다. 상기 결합 부위는 상기 개방부(3)를 밀폐시키도록 결합할 수 있으면 그 구조 및 형태가 제한되지 않는다.
일 실시상태에 따르면, 상기 배터리 셀 제조방법에 의하여 제조된 배터리 셀(100)은 초기 충전으로 발생한 배출 가스를 상기 배기 챔버(7)를 통해서 배출시킴으로써, 배출 가스의 압력에 의한 배터리 셀(100)의 외형 변형 및/또는 전지 캔(2)의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체에 구비된 캡 플레이트의 벤트 가능성을 최소화 할 수 있다.
상기 배터리 셀 제조방법에 의하여 제조되지 않은 배터리 셀은 초기 충전으로 발생한 배출 가스가 배터리 셀 내부에 남아 있어서 배출 가스의 압력에 의한 배터리 셀의 외형 변형 및/또는 전지 캔의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체에 구비된 캡 플레이트의 벤트 가능성이 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, ­0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2­(1­x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1xFe1­xM2yP1­yM3zO4­z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독 중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다. 분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1­xLaxZr1­yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3­PbTiO3(PMN­PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γbutyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 전술한 원통형 배터리 셀은 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있으며, 상기 배터리 팩은 원통형 배터리 셀이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징을 포함할 수 있다. 원통형 배터리 셀은 상술한 실시예에 따른 배터리 셀(100)이다.
일 실시상태에 따르면, 상기 배터리 팩은 자동차에 탑재될 수 있으며, 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1: 조립 완성 셀
2: 일측이 개방된 원통형의 전지 캔
3: 개방부
4, 4': 집전판
5: (+) 충전 핀
6: (-) 충전 핀
7: 배기 챔버
8: 주입부
9: 배기부
10: 전극 단자
11: 몸체부
12: 외부 플랜지부
13: 내부 플랜지부
14: 평탄부
20: 바닥
30: 관통 홀
40: 가스켓
50, 50': 무지부
70: 리드탭
100: 배터리 셀

Claims (20)

  1. (A) 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔을 배기 챔버 내에 배치하거나, 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합하는 단계;
    (B) 상기 배기 챔버를 불활성 분위기로 조절하는 단계; 및
    (C) 상기 전극 조립체에 초기 충전(Pre-Charge)을 수행하고, 상기 초기 충전으로 발생한 배출 가스를 상기 배기 챔버를 통해서 배출시키는 단계를 포함하는 배터리 셀 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조이고,
    상기 제1 전극과 상기 전지 캔은 전기적으로 연결되고, 상기 배터리 셀은 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전극 단자를 더 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극인 것인 배터리 셀 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 (B) 단계는 상기 배기 챔버 내의 산소 농도가 4 vol% 이하로 조절되는 것인 배터리 셀 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 (B) 단계는 상기 배기 챔버에 불활성 가스를 주입하는 단계인 것인 배터리 셀 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 불활성 가스는 질소 가스인 것인 배터리 셀 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 배기 챔버는 불활성 가스를 주입하는 주입부와 상기 배출 가스를 배출하는 배기부를 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 (B) 단계는 상기 주입부를 통하여 상기 배기 챔버 내의 산소 농도가 4 vol% 이하일 때까지 불활성 가스 주입을 수행하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 (A) 단계에서, 상기 전지 캔을 배기 챔버 내에 배치하거나 상기 개방부에 배기 챔버를 결합하기 전에 상기 배기 챔버 내에 불활성 가스를 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 (A) 단계 중 상기 개방부에 배기 챔버를 밀폐시키도록 결합하는 단계에서, 상기 전지 캔은 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자 및 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓을 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 전극 단자는 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부; 상기 바닥의 외부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 상기 바닥의 내부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부를 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 (C) 단계에서, 배터리 셀은 상기 전지 캔의 바닥에 구비된 음극 단자를 포함하고, 상기 리벳팅된 전극 단자는 양극 단자이며,
    상기 초기 충전은 상기 음극 단자 및 양극 단자에 충전 단자를 연결하여 수행되는 것인 배터리 셀 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 음극 단자 및 상기 양극 단자는 전지 캔 바닥면에 구비되는 것인 배터리 셀 제조방법.
  14. 청구항 2에 있어서, 상기 (A) 단계 중 상기 전지 캔을 배기 챔버 내에 배치하는 단계에서,
    제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 집전체는 상기 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며,
    상기 제1 전극은 상기 전지 캔의 바닥과 전기적으로 연결되고, 상기 배터리 셀은 상기 제2 전극의 상기 무지부와 전기적으로 연결되는 집전판을 더 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 제2 전극의 상기 무지부와 전기적으로 연결되는 집전판은 상기 전극 단자와 전기적으로 연결되는 리드탭을 더 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 (C) 단계에서, 상기 배터리 셀은 양 단부에 구비된 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 음극 단자 및 상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 양극 단자를 포함하고,
    상기 초기 충전은 상기 음극 단자 및 양극 단자에 충전 단자를 연결하여 수행되는 것인 배터리 셀 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 음극 단자는 전지 캔의 바닥에 구비되고, 상기 양극 단자는 상기 바닥과 대향하는 전극 조립체의 타 단부에 구비되는 것인 배터리 셀 제조방법.
  18. 청구항 12 또는 16에 있어서, 상기 충전 단자는 상기 양극 단자와 연결되는 (+) 충전 핀 및 상기 음극 단자와 연결되는 (-) 충전 핀을 포함하는 것인 배터리 셀 제조방법.
  19. 전극 조립체 및 전해액을 수용하고, 일측에 개방부를 갖는 전지 캔을 배치하거나 상기 개방부를 밀폐시키도록 결합할 수 있는 배기 챔버를 포함하는 것인 배터리 셀 제조장치.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 배기 챔버는 불활성 가스를 주입하는 주입부와 상기 배출 가스를 배출하는 배기부를 포함하는 것인 배터리 셀 제조장치.
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