WO2023096323A1 - 이차전지 활성화 장치 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법 - Google Patents

이차전지 활성화 장치 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법 Download PDF

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이의경
성낙기
김상지
홍석현
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LG Energy Solution Ltd
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    • 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 activation device capable of effectively removing gas generated inside a secondary battery cell during a secondary battery activation process and a secondary battery manufacturing method using the same.
  • secondary batteries are classified according to the structure of the electrode assembly of the cathode/separator/cathode structure.
  • a jelly structure in which long sheet-shaped cathodes and cathodes are wound with a separator interposed therebetween.
  • -Roll (wound type) electrode assembly a stack type (stacked) electrode assembly in which a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween, positive electrodes and negative electrodes of a predetermined unit with a separator interposed therebetween
  • a stack-folding type electrode assembly having a winding structure of bi-cells or full cells stacked in one state may be mentioned.
  • a pouch-type battery having a structure in which a stack-type or stack-folding type electrode assembly is embedded in a pouch-type battery case of an aluminum laminate sheet has attracted much attention due to low manufacturing cost, small weight, and easy shape deformation. Also, its usage is gradually increasing.
  • FIGS. 2 and 3 are images showing results obtained by performing a high-temperature pressurization activation process with a secondary battery activating device according to the prior art.
  • a secondary battery activation device is composed of a plate-shaped upper pressure plate 1 and a lower pressure plate 2 .
  • the plate-shaped upper pressing plate 1 and lower pressing plate 2 press both sides of the secondary battery B to a high temperature while being heated with the secondary battery B interposed therebetween, so that the gas generated by charging is discharged from the interface of the electrode. By removing it, the secondary battery (B) is activated.
  • the present invention provides an apparatus for activating a secondary battery in which gas generated during the activation process is not locally trapped in the cell by uniformly pressurizing the secondary battery cell even when the thickness of the secondary battery cell is locally thin during the secondary battery activation process, and the same. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a secondary battery using the present invention.
  • an upper pressing unit including an upper pressing plate and a plurality of first elastic pressing members formed on a lower surface of the upper pressing plate; and a lower pressing portion including a lower pressing plate formed to face the upper pressing plate and a plurality of second elastic pressing members formed on an upper surface of the lower pressing plate.
  • the first elastic pressing member includes an elastic member and a pressing block, and an upper end of the elastic member is fixedly formed to a lower surface of the upper pressing plate, and the elastic member is formed. The lower end of the member is fixed to the pressing block.
  • the second elastic pressing member includes an elastic member and a pressing block, a lower end of the elastic member is fixed to the upper surface of the lower pressing plate, and an upper end of the elastic member is fixed to the pressing block.
  • the elastic member may be a spring.
  • an elastic surface may be formed on a surface of the pressing block to press the secondary battery.
  • each of the pressing blocks constituting the first and second elastic pressing members may be formed to have the same size in the entire pressing area for pressing the secondary battery.
  • the pressing blocks for pressing a first region having a constant electrode thickness of the secondary battery are first Pressing blocks formed to a size and pressurizing the second region where the thickness of the electrode of the secondary battery becomes thinner may be formed to a second size smaller than the first size.
  • the pressing blocks for pressing the second area may be formed to have a second size smaller than the first size and to gradually decrease toward the end of the secondary battery. there is.
  • the pressing blocks may be formed in a stripe shape.
  • the pressing blocks may be formed in a lattice shape.
  • the above-described secondary battery activating device is used.
  • the entire surface of the secondary battery cell is uniformly pressed, so that the inside of the secondary battery cell There is an effect of preventing generated gas from being trapped inside the electrode assembly.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery activation device according to the prior art.
  • FIGS. 2 and 3 are images showing results obtained by performing a high-temperature pressure activation process with a secondary battery activation device according to the prior art.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery activation device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a pressing block formed in a stripe shape.
  • FIG. 6 is a view showing a pressing block formed in a lattice shape.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery activation device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery activation device according to a third embodiment of the present invention.
  • 13 to 16 are views showing press blocks formed in various shapes.
  • 17 is a flowchart illustrating a secondary battery manufacturing method using a secondary battery activation device according to embodiments of the present invention.
  • FIGS. 4 to 6 are schematic cross-sectional views of a secondary battery activation device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a view showing a pressure block formed in a stripe shape
  • FIG. 6 shows a pressure block formed in a lattice shape. It is a drawing
  • the secondary battery activating device 100 includes an upper pressing part 110 and a lower pressing part 120 .
  • the upper pressurizing part 110 presses the upper surface of the secondary battery B at a high temperature
  • the lower pressurizing part 120 presses the lower surface of the secondary battery B at a high temperature.
  • the upper pressing part 110 includes an upper pressing plate 111 and a plurality of first elastic pressing members 112 .
  • the upper pressing plate 111 may be formed in a predetermined shape, for example, a rectangular plate shape, and a plurality of first elastic pressing members 112 may be formed on the lower surface of the upper pressing plate 111 at equal intervals.
  • Each of the first elastic pressing members 112 includes an elastic member 112a and a pressing block 112b.
  • the elastic member 112a may be, for example, a material capable of contracting/expanding by an external force, such as a spring or synthetic rubber.
  • the elastic member 112a is a spring.
  • the upper end of the elastic member 112a is fixed to the lower surface of the upper pressing plate 111, and the lower end of the elastic member 112a is fixed to the pressing block 112b.
  • the pressing block 112b may be formed in a stripe shape having a predetermined width and length.
  • the pressing block 112b may be formed in a lattice shape having a predetermined area as illustrated in FIG. 6 .
  • the pressure block 112b is formed of a solid material as a whole, but an elastic surface made of rubber or the like having a certain hardness may be formed on the surface on which the secondary battery B is pressed.
  • the elastic surface prevents the surface of the secondary battery B from being damaged by the pressure of the pressing block 112b.
  • the lower pressing part 120 includes a lower pressing plate 121 facing the upper pressing plate 111 and a plurality of second elastic pressing members 122 .
  • the lower pressing plate 121 may be formed in a shape corresponding to the upper pressing plate 111, and a plurality of second elastic pressing members 122 may be formed on the lower surface of the lower pressing plate 121 at equal intervals.
  • Each of the second elastic pressing members 122 includes an elastic member 122a and a pressing block 122b.
  • the secondary battery activation device configured as described above, in the activation process of a pouch-type battery or a prismatic battery, the secondary battery can be uniformly pressed as a whole regardless of the flatness of the secondary battery.
  • the activation process performed with uniform pressurization makes it possible to remove the generated activation gas without local trapping, so that it is possible to manufacture a secondary battery in a uniformly charged state.
  • FIGS. 7 to 11 are schematic cross-sectional views of a secondary battery activation device according to a second embodiment of the present invention
  • FIGS. 8 to 11 are views showing press blocks formed in various shapes.
  • the secondary battery activating device 200 includes an upper pressing part 210 and a lower pressing part 220 .
  • the rest of the configuration is substantially the same as that of the first embodiment described above, so repeated description is omitted.
  • the pressure blocks 212b and 222b are formed to have different sizes depending on the area where the secondary battery B is pressed. Specifically, the pressing blocks 212b and 222b for pressing the first area A1 having a constant electrode thickness of the secondary battery B are formed in a first size, and the second area A1 in which the thickness of the electrode of the secondary battery B becomes thinner. The pressing blocks 212b and 222b that press the area A2 (sliding area) are formed in a second size smaller than the first size. Specific values of the first size and the second size may be set according to the size and characteristics of the secondary battery (B).
  • the sizes of the pressing blocks 212b and 222b are smaller, they can be uniformly pressed even with minute thickness changes. Since there is relatively little change in electrode thickness in the first area, the size of the pressure blocks 212b and 222b does not need to be small, and since the electrode thickness changes in the second area, the size of the pressure blocks 212b and 222b is smaller than the size of the first area. It is preferable to be formed in a second size smaller than the first size of.
  • the number of the pressing blocks 212b and 222b and the elastic members 212a and 222a elastically supporting the pressing blocks required for device design can be reduced.
  • FIG. 8 illustrates that the pressing blocks 212b and 222b of this embodiment are formed in a stripe shape having a predetermined width and length
  • FIG. 9 illustrates that they are formed in a lattice shape with a predetermined area.
  • FIG. 10 and 11 show the arrangement of the pressing blocks 212b and 222b of the secondary battery activation device when the electrode leads of the secondary battery B are formed on both sides.
  • the pressure blocks 212b and 222b have a stripe shape
  • the pressure blocks 212b and 222b have a lattice shape.
  • FIGS. 12 to 16 are schematic cross-sectional views of a secondary battery activation device according to a third embodiment of the present invention
  • FIGS. 13 to 16 are views showing press blocks formed in various shapes.
  • the secondary battery activating device 300 includes an upper pressing part 310 and a lower pressing part 320 .
  • the rest of the configuration is substantially the same as that of the first embodiment described above, and thus a repeated description is omitted.
  • the pressing blocks 312b and 322b are formed to have different sizes depending on the area where the secondary battery B is pressed. Specifically, the pressing blocks 312b and 322b for pressing the first area A1 having a constant electrode thickness of the secondary battery B are formed in a first size, and the second area A1 in which the thickness of the electrode of the secondary battery B becomes thinner. The pressing blocks 312b and 322b that press the area A2 (sliding area) are formed to have a second size smaller than the first size and gradually decrease toward the end of the secondary battery.
  • the electrode thickness in the second region does not decrease at a constant rate, and the decrease in electrode thickness may increase toward the end of the secondary battery B. Therefore, in this embodiment, the size of the pressing blocks 312b and 322b gradually decreases toward the end of the secondary battery, so that even when the thickness of the electrode in the second region gradually changes, the overall pressing force is uniform in the second region. to be able to provide
  • FIG. 13 illustrates that the pressing blocks 312b and 322b of this embodiment are formed in a stripe shape having a predetermined width and length
  • FIG. 14 illustrates that they are formed in a lattice shape with a predetermined area.
  • FIG. 15 and 16 show the arrangement of the pressing blocks 312b and 322b of the secondary battery activation device when the electrode leads of the secondary battery B are formed on both sides.
  • the pressure blocks 312b and 322b have a stripe shape
  • the pressure blocks 312b and 322b have a lattice shape.
  • a pressing block having a first size is formed in the center and a second area smaller than the first size is formed on both sides. 2
  • a pressing block having a size gradually decreasing towards the end of the secondary battery is formed.
  • the above-described activation device is used.
  • the secondary battery manufacturing method of the present invention includes an activation step (S100), an aging step (S200), and a degas step (S300), and in the activation step (S100), the above-described activation device
  • S100 activation step
  • S200 aging step
  • S300 degas step
  • the battery cell is activated by applying pressure to the battery cell simultaneously with charging.
  • the electrode assembly is accommodated in the battery case, the injection of the electrolyte solution is completed, and the battery cell in which the battery case is gas-sealed is charged with a predetermined SOC to perform an electrochemical reaction between the electrode active material and the electrolyte solution.
  • SEI Solid Electrolyte Interface
  • the battery cell may be a pouch-type battery cell in which an electrode assembly and an electrolyte are embedded in a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • the secondary battery When the secondary battery is activated, in order to prevent gas generated during charging from being trapped inside the electrode assembly, the battery is pressurized simultaneously with charging, and thus the internal gas moves out of the electrode assembly.
  • the pressing step is performed using upper and lower pressing plates and a plurality of first and second elastic pressing members.
  • Each of the first and second elastic pressing members includes an elastic member and a pressing block.
  • the first and second elastic pressing members including the elastic member and the pressing block may uniformly press the secondary battery as a whole regardless of the flatness of the secondary battery in an activation process of a pouch type battery or a prismatic battery.
  • the activation process performed with uniform pressurization makes it possible to remove the generated activation gas without local traps, thereby manufacturing a secondary battery in a uniformly charged state.
  • the pressing blocks 112b and 122b may have the same size.
  • the pressing blocks 212b and 222b for pressing the first area A1 having a constant electrode thickness are formed in a first size and press the second area A2 having a thin electrode thickness.
  • the pressing blocks 212b and 222b may be formed in a second size smaller than the first size.
  • the pressing blocks 312b and 322b for pressing the second region A2 may be formed to have a second size smaller than the first size, but gradually decrease toward the end of the secondary battery. there is.
  • the aging step is a process of aging the secondary battery under various conditions in order to accelerate the stabilization of the SEI film formed through the activation step.
  • room temperature aging may be performed to age the secondary battery for a predetermined time under room temperature/normal pressure conditions.
  • high temperature aging may be performed instead of room temperature aging, and room temperature aging and high temperature aging may be performed. All can be done.
  • the high-temperature aging by aging the battery in a high-temperature environment, can accelerate the stabilization of the SEI film, and the high-temperature aging and room-temperature aging processes can be sequentially performed on the activated battery.
  • the high-temperature aging may be performed at a temperature of 50 °C to 100 °C, preferably 50 °C to 80 °C.
  • the high-temperature aging may be performed for 1 to 30 hours, preferably 2 to 24 hours.
  • the room temperature aging may be carried out at a temperature of 18°C to 28°C, specifically 19°C to 27°C, more specifically 20°C to 26°C, and more specifically 21°C to 25°C. Room temperature aging may be performed for 12 to 120 hours or 18 to 72 hours.
  • the degassing step (S300) is a process of discharging oxygen gas generated during the activation and aging steps to the outside of the battery.
  • the degassing step may be performed without limitation by a method commonly used in the battery field.
  • the degassing step may include forming an opening by cutting a portion of the gas pocket portion or forming a through hole; discharging gas inside the secondary battery to the outside of the secondary battery through the opening or through-hole; and re-sealing the gas pocket unit.
  • the forming of the opening or through-hole is a step of forming an opening or through-hole through which gas can be exhausted in a partial area of the gas pocket part in order to discharge gas inside the sealed secondary battery to the outside.
  • a portion of the pouch may be cut to form the opening, and a piercing means capable of forming a hole in the pouch may be used to form the through hole, and the opening and the through hole may be formed, It is preferable that it is the upper part of a gas pocket part.
  • the step of discharging the internal gas to the outside is a step of exhausting the gas containing oxygen present in the battery case to the outside through an opening or a through hole formed in the gas pocket part.
  • the chamber in which the lithium secondary battery is accommodated may be created in a vacuum state, and internal gas of the lithium secondary battery may be discharged to the outside to be removed.
  • a process of pressurizing the lithium secondary battery may be performed.
  • the step of re-sealing the gas pocket is a step of re-sealing the lithium secondary battery for a degassing process, an aging process, or an additional charging process.
  • the gas pocket portion may be sealed by cutting an area of the gas pocket portion including the opening or through hole, removing the opening or through hole from the gas pocket portion, and sealing the cut surface.

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Abstract

본 발명은 이차전지 활성화 공정시 이차전지 셀 내부에 발생한 가스를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 이차전지 활성화 장치 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치는, 상부 가압 플레이트와, 상기 상부 가압 플레이트의 하면에 복수개로 형성되는 제1 탄성 가압 부재들을 포함하는 상부 가압부; 및, 상기 상부 가압 플레이트와 대향하여 형성되는 하부 가압 플레이트와, 상기 하부 가압 플레이트의 상면에 형성되는 복수개의 제2 탄성 가압 부재들을 포함하는 하부 가압부;를 포함한다.

Description

이차전지 활성화 장치 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법
본 출원은 2021.11.23.자 한국 특허 출원 제10-2021-0162689호에 기초한 우선권의 이익을 주장한다.
본 발명은 이차전지 활성화 공정시 이차전지 셀 내부에 발생한 가스를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 이차전지 활성화 장치 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법에 관한 것이다.
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 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 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택-폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
이러한 파우치형 전지를 포함한 대부분의 이차전지들은 전지셀의 제조 과정에서 충방전에 의해 전지를 활성화시키는 과정을 거치는 바, 최종 전지셀의 제조를 위해서는 활성화 과정에서 발생하는 가스를 제거하여야 하며, 이를 탈기(degas) 공정이라고 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 이차전지 활성화 장치가 개략적으로 도시된 단면도이고, 도 2 내지 도 3은 종래 기술에 따른 이차전지 활성화 장치로 고온 가압 활성화 공정을 수행한 결과를 예시적으로 보여주는 이미지이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 이차전지 활성화 장치는, 판상형의 상부 가압 플레이트(1)와 하부 가압 플레이트(2)로 구성된다. 판상형의 상부 가압 플레이트(1)와 하부 가압 플레이트(2)는 이차전지(B)를 사이에 두고 가열되면서 이차전지(B)의 양면을 고온으로 가압하여 충전에 의해 발생되는 가스를 전극의 계면에서 제거하여 이차전지(B)를 활성화한다.
그러나, 이차전지(B)를 구성하는 전극 제조시, 전극 물질을 슬러리 상태로 코팅할 때, 슬러리의 유동성에 의해 전극의 끝단에서 건조되기 전까지 약간의 흐름 현상이 발생하여, 전극 두께가 얇아지게 되어(이른바, 전극의 슬라이딩 영역) 전극의 끝단은 두께 차이가 발생하여, 이차전지(B)의 두께 불균형을 초래한다. (도 1의 C 부분 참조)
이 상태에서, 도 1의 이차전지 활성화 장치로 활성화 공정을 진행하면, 도 2에 예시된 바와 같이, 활성화 공정에 의해 발생한 가스가 이차전지(B)의 끝단에 모여서 각 전극의 계면에 위치하게 되는데, 이차전지(B)의 두께가 얇아지는 부분(도 1의 C 부분)에는 가압 플레이트(1, 2)의 가압력이 전달되지 않아서 도 3과 같이 가스가 트랩되는 현상이 발생한다. 이러한 가스 트랩 현상은 충전 불균일을 야기하는 문제가 있다.
본 발명은 이차전지 활성화 공정시, 이차전지 셀의 두께가 국부적으로 얇은 부분이 있더라도, 이차전지 셀을 균일하게 가압하여, 활성화 공정 중 발생한 가스가 국부적으로 셀 내에 트랩되지 않는 이차전지 활성화 장치 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치는,
상부 가압 플레이트와, 상기 상부 가압 플레이트의 하면에 복수개로 형성되는 제1 탄성 가압 부재들을 포함하는 상부 가압부; 및, 상기 상부 가압 플레이트와 대향하여 형성되는 하부 가압 플레이트와, 상기 하부 가압 플레이트의 상면에 형성되는 복수개의 제2 탄성 가압 부재들을 포함하는 하부 가압부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 있어서, 상기 제1 탄성 가압 부재는, 탄성 부재와 가압 블록을 포함하고, 상기 탄성 부재의 상단은 상기 상부 가압 플레이트의 하면에 고정 형성되고, 상기 탄성 부재의 하단은 상기 가압 블록에 고정 형성된다. 또한, 상기 제2 탄성 가압 부재는, 탄성 부재와 가압 블록을 포함하고, 상기 탄성 부재의 하단은 상기 하부 가압 플레이트의 상면에 고정 형성되고, 상기 탄성 부재의 상단은 상기 가압 블록에 고정 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 있어서, 상기 탄성 부재는 스프링일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 있어서, 상기 가압 블록은 이차전지를 가압하는 면에는 탄성면이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 탄성 가압 부재들을 구성하는 상기 가압 블록들 각각은, 이차전지를 가압하는 가압 영역 전체에서 동일한 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 탄성 가압 부재들을 구성하는 상기 가압 블록들 중에서, 이차전지의 전극 두께가 일정한 제1 영역을 가압하는 가압 블록들은 제1 크기로 형성되고, 이차전지의 전극 두께가 얇아지는 제2 영역을 가압하는 가압 블록들은 상기 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 있어서, 상기 제2 영역을 가압하는 가압 블록들은 상기 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성되되, 상기 이차전지의 단부로 갈수록 점점 작아지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 있어서, 상기 가압 블록들은 스트라이프 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 있어서, 상기 가압 블록들은 격자 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 제조 방법은, 이차전지를 활성화하는 단계에서, 전술한 이차전지 활성화 장치를 이용하여 수행된다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 이차전지 활성화 공정 시, 이차전지 셀의두께가 균일하지 않아, 국부적으로 두께가 얇은 부분이 있더라도, 이차전지 셀의 전면을 균일하게 가압하므로, 전지 이차전지 셀 내부에 발생한 가스가 전극조립체 내부에 트랩되는 것을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이차전지 활성화 장치가 개략적으로 도시된 단면도이다.
도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 이차전지 활성화 장치로 고온 가압 활성화 공정을 수행한 결과를 예시적으로 보여주는 이미지이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치가 개략적으로 도시된 단면도이다.
도 5는 스트라이프 형상으로 형성된 가압 블록이 도시된 도면이다.
도 6은 격자 형상으로 형성된 가압 블록이 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치가 개략적으로 도시된 단면도이다.
도 8 내지 도 11은 다양한 형상으로 형성된 가압 블록이 도시된 도면이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치가 개략적으로 도시된 단면도이다.
도 13 내지 도 16은 다양한 형상으로 형성된 가압 블록이 도시된 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 이차전지 활성화 장치를 이용한 이차전지 제조 방법이 도시된 순서도이다.
[부호의 설명]
100, 200, 300 : 이차전지 활성화 장치
110, 210, 310 : 상부 가압부
120, 220, 320 : 하부 가압부
111, 211, 311 : 상부 가압 플레이트
121, 221, 321 : 하부 가압 플레이트
112, 212, 312 : 제1 탄성 가압 부재
122, 222, 322 : 제2 탄성 가압 부재
112a, 122a, 212a, 222a, 312a, 322a : 탄성 부재
112b, 122b, 212b, 222b, 312b, 322b: 가압 블록
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치를 설명한다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치가 개략적으로 도시된 단면도이고, 도 5는 스트라이프 형상으로 형성된 가압 블록이 도시된 도면이며, 도 6은 격자 형상으로 형성된 가압 블록이 도시된 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치(100)는, 상부 가압부(110)와 하부 가압부(120)를 포함한다. 상부 가압부(110)는 이차전지(B)의 상면을 고온 가압하고, 하부 가압부(120)는 이차전지(B)의 하면을 고온 가압한다.
상부 가압부(110)는 상부 가압 플레이트(111)와 복수개의 제1 탄성 가압 부재(112)들을 포함한다.
상부 가압 플레이트(111)는 소정 형상, 예를 들어 사각형판 형상으로 형성되고, 복수개의 제1 탄성 가압 부재(112)들은 상부 가압 플레이트(111)의 하면에 균등한 간격으로 형성될 수 있다. 제1 탄성 가압 부재(112) 각각은 탄성 부재(112a)와 가압 블록(112b)을 포함한다.
탄성 부재(112a)는, 예를 들어 스프링, 합성 고무 등 외력에 의해 수축/팽창할 수 있는 물질이 될 수 있다. 도면에서는 탄성 부재(112a)가 스프링인 것을 예시한다. 탄성 부재(112a)의 상단은 상부 가압 플레이트(111)의 하면에 고정 형성되고, 탄성 부재(112a)의 하단은 가압 블록(112b)에 고정 형성된다.
가압 블록(112b)은 도 5에 예시된 바와 같이 소정 폭과 길이를 갖는 스트라이프 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 가압 블록(112b)은 도 6에 예시된 바와 같이 소정 면적을 갖는 격자 형상으로 형성될 수 있다.
도 5와 같이 가압 블록(112b)이 스트라이프 형상으로 형성되는 경우, 상대적으로 제조가 용이한 장점이 있다. 한편, 도 6과 같이 가압 블록(112b)이 격자 형상으로 형성되는 경우, 상대적으로 제조는 복잡하지만 이차전지(B)의 미세한 두께 변화에도 균일한 가압이 가능한 장점이 있다.
가압 블록(112b)은 전체적으로 견고한 재질로 형성되나, 이차전지(B)를 가압하는 면에는 일정한 경도를 갖는 고무 등으로 이루어진 탄성면이 형성될 수 있다. 탄성면은 가압 블록(112b)의 가압에 의해 이차전지(B)의 표면이 손상되지 않도록 한다.
하부 가압부(120)는 상부 가압 플레이트(111)와 대향하는 하부 가압 플레이트(121)와 복수개의 제2 탄성 가압 부재(122)들을 포함한다.
하부 가압 플레이트(121)는 상부 가압 플레이트(111)와 대응하는 형상으로 형성되고, 복수개의 제2 탄성 가압 부재(122)들은 하부 가압 플레이트(121)의 하면에 균등한 간격으로 형성될 수 있다. 제2 탄성 가압 부재(122) 각각은 탄성 부재(122a)와 가압 블록(122b)를 포함한다.
탄성 부재(122a)와 가압 블록(122b)은 전술한 탄성 부재(112a)와 가압 블록(112b)과 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치에 의하면, 파우치형 전지나 각형 전지의 활성화 공정에서 이차전지의 평탄도와 무관하게 전체적으로 이차전지를 균일하게 가압할 수 있게 된다.
특히, 이차전지의 두께가 국부적으로 얇은 부분이 있더라도, 스프링 탄성체에 의해 균일하게 압력을 가해줄 수 있게 되어, 종래보다 균일한 활성화 반응을 수행할 수 있게 한다.
균일한 가압으로 진행되는 활성화 공정은 발생하는 활성화 가스를 국부적인 트랩없이 제거할 수 있게 하여, 균일한 충전 상태의 이차전지를 제조할 수 있게 한다.
다음, 도 7 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치를 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치가 개략적으로 도시된 단면도이고, 도 8 내지 도 11은 다양한 형상으로 형성된 가압 블록이 도시된 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치(200)는, 상부 가압부(210)와 하부 가압부(220)를 포함한다. 본 실시예에서는, 가압 블록(212b, 222b)을 제외하고, 나머지 구성은 전술한 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
본 실시예에서 가압 블록(212b, 222b)은 이차전지(B)를 가압하는 영역에 따라 가압 블록의 크기가 다르게 형성된다. 구체적으로, 이차전지(B)의 전극 두께가 일정한 제1 영역(A1)을 가압하는 가압 블록(212b, 222b)은 제1 크기로 형성되고, 이차전지(B)의 전극 두께가 얇아지는 제2 영역(A2, 슬라이딩 영역)을 가압하는 가압 블록(212b, 222b)은 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성된다. 제1 크기 및 제2 크기의 구체적인 수치는 이차전지(B)의 크기, 특성에 따라 설정될 수 있다.
가압 블록(212b, 222b)의 크기가 작을수록 미세한 두께 변화에도 균일하게 가압할 수 있다. 상대적으로 제1 영역은 전극 두께 변화가 거의 없으므로 가압 블록(212b, 222b)의 크기가 작을 필요가 없고, 제2 영역에서 전극 두께 변화가 발생하므로 가압 블록(212b, 222b)의 크기는 제1 영역의 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 가압하는 영역에 따라 가압 블록(212b, 222b)의 크기를 다르게 함으로써, 장치 설계에 요구되는 가압 블록(212b, 222b) 및 가압 블록을 탄성 지지하는 탄성 부재(212a, 222a)의 개수를 최적화할 수 있게 된다. 즉, 제1 영역에 요구되는 가압 블록(212b, 222b) 및 탄성 부재(212a, 222a)의 개수를 줄일 수 있게 된다.
도 8은 본 실시예의 가압 블록(212b, 222b)이 소정 폭과 길이를 갖는 스트라이프 형상으로 형성된 것을 예시하고, 도 9는 소정 면적을 갖는 격자 형상으로 형성된 것을 예시한다.
도 8과 같이 가압 블록(212b, 222b)이 스트라이프 형상으로 형성되는 경우, 상대적으로 제조가 용이한 장점이 있다. 한편, 도 9와 같이 가압 블록(212b, 222b)이 격자 형상으로 형성되는 경우, 상대적으로 제조는 복잡하지만 이차전지(B)의 전체 영역에 걸친 미세한 두께 변화에도 균일한 가압이 가능한 장점이 있다.
도 10 및 도 11에는 이차전지(B)의 전극 리드가 양 측에 형성된 경우, 이차전지 활성화 장치의 가압 블록(212b, 222b) 배열 상태가 도시되어 있다. 도 10은 가압 블록(212b, 222b)이 스트라이프 형상이고, 도 11은 가압 블록(212b, 222b)이 격자 형상인 경우이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 양 측에 전극 리드가 형성된 이차전지는 양 측에 제2 영역이 형성되므로, 양 측에 제2 크기의 가압 블록이 형성되고, 중앙에 제1 크기의 가압 블록이 형성된다.
다음, 도 12 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치를 설명한다. 도 12은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치가 개략적으로 도시된 단면도이고, 도 13 내지 도 16은 다양한 형상으로 형성된 가압 블록이 도시된 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차전지 활성화 장치(300)는, 상부 가압부(310)와 하부 가압부(320)를 포함한다. 본 실시예에서는, 가압 블록(312b, 322b)을 제외하고, 나머지 구성은 전술한 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
본 실시예에서 가압 블록(312b, 322b)은 이차전지(B)를 가압하는 영역에 따라 가압 블록의 크기가 다르게 형성된다. 구체적으로, 이차전지(B)의 전극 두께가 일정한 제1 영역(A1)을 가압하는 가압 블록(312b, 322b)은 제1 크기로 형성되고, 이차전지(B)의 전극 두께가 얇아지는 제2 영역(A2, 슬라이딩 영역)을 가압하는 가압 블록(312b, 322b)은 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성되되, 이차전지의 단부로 갈수록 점점 작아지도록 형성된다.
제2 영역에서의 전극 두께가 일정한 비율로 작아지는 것은 아니고, 이차전지(B)의 단부로 갈수록 전극 두께의 감소 크기가 더 커질 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 이차전지의 단부로 갈수록 가압 블록(312b, 322b)의 크기가 점점 작아지도록 하여, 제2 영역에서의 전극 두께 변화가 점진적으로 발생하는 경우에도 제2 영역에서 전체적으로 균일한 가압력을 제공할 수 있게 한다.
도 13은 본 실시예의 가압 블록(312b, 322b)이 소정 폭과 길이를 갖는 스트라이프 형상으로 형성된 것을 예시하고, 도 14는 소정 면적을 갖는 격자 형상으로 형성된 것을 예시한다.
도 13과 같이 가압 블록(312b, 322b)이 스트라이프 형상으로 형성되는 경우, 상대적으로 제조가 용이한 장점이 있다. 한편, 도 14와 같이 가압 블록(312b, 322b)이 격자 형상으로 형성되는 경우, 상대적으로 제조는 복잡하지만 이차전지(B)의 전체 영역에 걸친 미세한 두께 변화에도 균일한 가압이 가능한 장점이 있다.
도 15 및 도 16에는 이차전지(B)의 전극 리드가 양 측에 형성된 경우, 이차전지 활성화 장치의 가압 블록(312b, 322b) 배열 상태가 도시되어 있다. 도 15은 가압 블록(312b, 322b)이 스트라이프 형상이고, 도 16은 가압 블록(312b, 322b)이 격자 형상인 경우이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 양 측에 전극 리드가 형성된 이차전지는 양 측에 제2 영역이 형성되므로, 중앙에 제1 크기의 가압 블록이 형성되고, 양 측에 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성되되, 이차전지의 단부로 갈수록 점점 작아지는 크기를 갖는 가압 블록이 형성된다.
다음, 본 발명의 이차전지 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은, 이차전지를 활성화하는 단계에서, 전술한 활성화 장치를 이용한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이차전지 제조 방법이 도시된 순서도이다. 도 17을 참조하면, 본 발명의 이차전지 제조 방법은, 활성화 단계(S100), 에이징 단계(S200), 디가스 단계(S300)를 포함하고, 상기 활성화 단계(S100)에서, 전술한 활성화 장치를 이용하여, 배터리 셀을 충전과 동시에 가압하여 배터리 셀을 활성화시킨다.
활성화 단계(S100)는, 전지 케이스 내에 전극 조립체를 수납하고, 전해액의 주입을 완료한 후, 전지 케이스를 가실링한 배터리 셀에 대하여, 소정의 SOC로 충전하여 전극 활물질과 전해액 간의 전기화학적 반응을 통해 SEI(Solid Electrolyte Interface)층을 형성하여, 배터리 셀을 사용할 수 있도록 활성화시킨다. 배터리 셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지 케이스에 전극 조립체와 전해액이 내장되어 있는 파우치형 배터리 셀일 수 있다.
이차전지의 활성화 시, 충전 중 발생한 가스가 전극조립체 내부에 갇히는 것을 방지하기 위해, 충전과 동시에 전지를 가압하고, 이에 따라 내부 가스는 전극조립체의 외부로 이동하게 된다.
본 발명에서는 이러한 가압을 위해, 상하부 가압 플레이트와 복수개의 제1 및 제2 탄성 가압 부재들을 이용하여 가압 단계를 수행한다. 제1 및 제2 탄성 가압 부재 각각은 탄성 부재와 가압 블록을 포함한다.
이와 같이, 탄성 부재와 가압 블록를 포함하는 제1 및 제2 탄성 가압 부재는 파우치형 전지나 각형 전지의 활성화 공정에서 이차전지의 평탄도와 무관하게 전체적으로 이차전지를 균일하게 가압할 수 있다. 균일한 가압으로 진행되는 활성화 공정은 발생하는 활성화 가스를 국부적인 트랩 없이 제거할 수 있게 하여, 균일한 충전 상태의 이차전지를 제조할 수 있게 한다.
도 4 내지 도 6과 같이 가압 블록(112b, 122b)은 동일한 크기로 형성될 수 있다. 또는, 도 7 내지 도 11과 같이 전극 두께가 일정한 제1 영역(A1)을 가압하는 가압 블록(212b, 222b)은 제1 크기로 형성되고, 전극 두께가 얇아지는 제2 영역(A2)을 가압하는 가압 블록(212b, 222b)은 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성될 수 있다. 또는, 도 12 내지 도 16과 같이 제2 영역(A2)을 가압하는 가압 블록(312b, 322b)은 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성되되, 이차전지의 단부로 갈수록 점점 작아지도록 형성될 수 있다.
에이징 단계는, 활성화 단계를 통해 형성된 SEI 피막의 안정화를 가속화기 위하여 다양한 조건으로 이차전지를 숙성시키는 과정이다.
상기 에이징(S200) 단계는, 상온/상압 조건 하에서 소정의 시간 동안 이차전지를 숙성시키는 상온 에이징을 거칠 수 있고, 목적에 따라서는 상온 에이징 대신 고온 에이징을 실시할 수도 있으며, 상온 에이징 및 고온 에이징을 모두 실시할 수 있다. 상기 고온 에이징은, 고온 환경에서 전지를 숙성시키는 것으로, SEI 피막의 안정화를 가속시킬 수 있고, 활성화된 전지에 대해 고온 에이징 및 상온 에이징 과정을 순차적으로 실시할 수 있다.
하나의 구체적 예에서, 상기 고온 에이징은 50℃내지 100℃ 바람직하게는 50℃내지 80℃의 온도에서 실시될 수 있다. 상기 고온 에이징은 1 내지 30시간, 바람직하게는 2시간 내지 24시간 동안 수행될 수 있다.
하나의 구체적 예에서, 상기 상온 에이징은 18℃내지 28℃ 상세하게는 19℃내지 27℃ 더 상세하게는 20℃내지 26℃ 더욱더 상세하게는 21℃내지 25℃의 온도에서 실시될 수 있다. 상온 에이징은 12 내지 120 시간, 18 내지 72 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 탈기 단계(S300)는, 상기 활성화 및 에이징 단계 정 중 발생한 산소 가스를 전지의 외부로 배출하는 과정이다. 탈기 단계는, 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 방법이 제한 없이 수행될 수 있다.
하나의 구체적 예에서, 상기 탈기 단계는, 가스 포켓부의 일부를 절개해 개구를 형성하거나, 관통구를 형성하는 단계; 상기 개구 또는 관통구를 통해 이차전지 내부의 가스를 이차전지의 외부로 배출하는 단계; 및 가스 포켓부를 재실링(re-sealing)하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 개구 또는 관통구를 형성하는 단계는, 밀봉되어 있는 이차전지의 내부의 가스를 외부로 배출하기 위해, 가스 포켓부의 일부 영역에 가스가 배기될 수 있는 개구 또는 관통구를 형성하는 단계이다. 상기 개구를 형성하기 위해 파우치의 일부를 절개할 수 있고, 상기 관통구를 형성하기 위해, 파우치에 홀을 형성할 수 있는 피어싱(piercing) 수단을 이용할 수 있으며, 상기 개구 및 관통구의 형성 위치는, 가스 포켓부의 상단부인 것이 바람직하다.
상기 내부 가스를 외부로 배출하는 단계는, 가스 포켓부에 형성된 개구 또는 관통홀을 통해 전지케이스 내부에 존재하는 산소를 포함한 가스를 외부로 배기하는 단계이다. 이때 리튬 이차전지가 수용되어 있는 챔버를 진공 상태로 조성하여, 리튬 이차전지의 내부 가스를 외부로 배출시켜 제거할 수 있다. 또한, 배기하는 과정에서, 리튬 이차전지의 가압 과정을 실시할 수도 있다.
가스 포켓부를 재실링(re-sealing)하는 단계는, 탈기 과정 후, 에이징 과정, 혹은 추가 충전 과정을 위해, 리튬 이차전지를 다시 밀봉(sealing)하는 단계이다. 하나의 구체적 예에서, 상기 개구 또는 관통구를 포함한 가스 포켓부 영역을 절취하여, 가스 포켓부로부터 개구 또는 관통구를 제거하고, 절단면을 실링함으로써, 가스 포켓부를 실링할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 상부 가압 플레이트와, 상기 상부 가압 플레이트의 하면에 복수개로 형성되는 제1 탄성 가압 부재들을 포함하는 상부 가압부; 및,
    상기 상부 가압 플레이트와 대향하여 형성되는 하부 가압 플레이트와, 상기 하부 가압 플레이트의 상면에 형성되는 복수개의 제2 탄성 가압 부재들을 포함하는 하부 가압부;
    를 포함하는 이차전지 활성화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 탄성 가압 부재는, 탄성 부재와 가압 블록을 포함하고, 상기 탄성 부재의 상단은 상기 상부 가압 플레이트의 하면에 고정 형성되고, 상기 탄성 부재의 하단은 상기 가압 블록에 고정 형성되는,
    상기 제2 탄성 가압 부재는, 탄성 부재와 가압 블록을 포함하고, 상기 탄성 부재의 하단은 상기 하부 가압 플레이트의 상면에 고정 형성되고, 상기 탄성 부재의 상단은 상기 가압 블록에 고정 형성되는,
    이차전지 활성화 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 탄성 부재는 스프링인, 이차전지 활성화 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 가압 블록은,
    이차전지를 가압하는 면에는 탄성면이 형성된, 이차전지 활성화 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 및 제2 탄성 가압 부재들을 구성하는 상기 가압 블록들 각각은,
    이차전지를 가압하는 가압 영역 전체에서 동일한 크기로 형성되는, 이차전지 활성화 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 및 제2 탄성 가압 부재들을 구성하는 상기 가압 블록들 중에서,
    이차전지의 전극 두께가 일정한 제1 영역을 가압하는 가압 블록들은 제1 크기로 형성되고, 이차전지의 전극 두께가 얇아지는 제2 영역을 가압하는 가압 블록들은 상기 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성되는,
    이차전지 활성화 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 영역을 가압하는 가압 블록들은 상기 제1 크기 보다 작은 제2 크기로 형성되되, 상기 이차전지의 단부로 갈수록 점점 작아지도록 형성되는,
    이차전지 활성화 장치.
  8. 청구항 2 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압 블록들은 스트라이프 형상으로 형성되는, 이차전지 활성화 장치.
  9. 청구항 2 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압 블록들은 격자 형상으로 형성되는, 이차전지 활성화 장치.
  10. 이차전지의 활성화 단계에서, 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 이차전지 활성화 장치를 이용하는 이차전지 제조 방법.
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