KR102663277B1 - 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

파우치형 이차전지의 용량 특성을 높일 뿐 아니라 낙하 시험시 파우치 외장재가 찢어지는 문제를 해결할 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 전극 조립체와 전해액을 파우치 외장재 내에 수납하는 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 파우치 외장재로부터 상기 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴이 다수 형성되어 있고, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴이 상기 전극 조립체를 잡아주어 상기 파우치 외장재 내에서의 상기 전극 조립체의 미끄러짐을 방지하는 것을 특징으로 한다.

Description

파우치형 이차전지 및 그 제조 방법{POUCH TYPE SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고 낙하 시험시 신뢰성이 높은 파우치형 이차전지 및 그러한 파우치형 이차전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히 리튬 이차전지의 사용은 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 이점으로 인해 급속도로 증가되고 있는 추세이다. 이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물을 양극 활물질로, 탄소재를 음극 활물질로 사용하며, 일반적으로, 사용되는 전해질의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류되기도 하며, 전지의 외형에 따라 원통형, 각형 전지로 분류되기도 한다.

이차전지는 그것이 사용되는 기기의 종류에 따라, 삽입과 이탈이 자유로운 탈착식 구조로 사용되기도 하고, 또는 기기의 내부에 매립되는 형태의 내장형 구조로 사용되기도 한다. 예를 들어, 노트북과 같은 디바이스는 사용자의 필요에 따라 전지의 삽입과 이탈이 가능한 반면에, 일부 휴대폰, MP3(MPEG Audio Layer-3)와 같은 디바이스는 그 구조 및 용량의 문제로 내장형 전지팩의 사용이 요구되기도 한다. 내장형 전지팩의 경우, 전극 조립체가 전해액과 함께 라미네이트 시트의 파우치 외장재에 수납되어 실링된 구조의 파우치형 전지셀이 주로 사용된다.

이차전지에서의 주요 연구 과제는 한정된 규격 크기 범위에서 용량 특성 한계치를 극복하는 것, 그리고 이차전지의 안전성을 향상시키는 것이다. 이차전지의 성능을 높이는 것은 내재 에너지량을 증가하는 것이고, 그만큼 사고의 잠재 가능성이 높아지는 바, 적절한 시험 규격에 의한 전지 성능 및 안전성의 평가가 필요하다. 새로운 설계 기술이 적용되어 양산된 이차전지는 내부 단락으로 인한 폭발 방지 설계가 얼마나 잘 이루어졌는지 평가하는 안전성 평가 시험을 거치게 된다.

이차전지의 안전성 항목 중에는 낙하 시험이 있다. 낙하 시험은 이차전지를 자유낙하시켰을 때 이차전지가 기계적 충격에 견디는 능력을 측정하는 것으로서, 정해진 높이에서 단단한 바닥으로 이차전지를 자유낙하시켜 접합부나 안전장치에 충격을 주어 누출이 일어날 수 있는 가능성을 시험하는 것이다. 미국의 UL에서 제정한 단체규격 UL 2054, 일본에서 IEC 61960-1 규격을 국제부합화한 JIS C8711 등과 같은 국가규격 등에 따르면, 견목 바닥 위 1m 높이에서 이차전지를 6회 자유낙하시키며 폭발 또는 발화가 일어나지 않아야 한다. 바닥의 종류를 콘크리트나 철판(steel)으로 달리 하거나 낙하 높이를 1m보다 크게 하는 등 배터리 팩 메이커에 따른 자체 규격의 시험도 있다.

도 1은 내장형 전지팩 낙하 시험의 한 예를 도시한다. 낙하 시험용 지그(drop jig, 10)에 내장형 전지팩(20)을 부착한 후, 소정 높이에서 자유낙하시켜(화살표 방향) 폭발 또는 발화 여부를 체크한다. 그런데 종래에는 도 2에서와 같이 내장형 전지팩(20)의 파우치형 전지셀 하단 실링부(S)가 벌어져 찢어지는 문제가 있어, 신뢰성에 관한 낙하 시험시 파우치 외장재 부분을 강화하여 개선해야 할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명은 파우치형 이차전지의 용량 특성을 높일 뿐 아니라 낙하 시험시 파우치 외장재가 찢어지는 문제를 해결할 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 전극 조립체와 전해액을 파우치 외장재 내에 수납하는 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 파우치 외장재로부터 상기 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴이 다수 형성되어 있고, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴이 상기 전극 조립체를 잡아주어 상기 파우치 외장재 내에서의 상기 전극 조립체의 미끄러짐을 방지하는 것을 특징으로 한다.

상기 오목한 둥근 엠보 패턴은 상기 파우치형 이차전지의 상단에서부터 전체 면적의 10~20% 이내에 있는 부분에는 형성되어 있지 않고, 그 아래의 80~90% 면적에 해당하는 부분에 형성되어 있으며, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴에 의해 상기 전극 조립체가 압축되어 있다.

상기 오목한 둥근 엠보 패턴은 원형, 반구형, 곡면형 또는 원추대(truncated cone)형 패턴일 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조 방법은, 전극 조립체와 전해액을 파우치 외장재 내에 수납하는 파우치형 이차전지 제조 방법에 있어서, 볼록한 둥근 엠보 패턴이 형성된 엠보싱 프레스 플레이트(embossing press plate)를 적용해 상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계를 포함함으로써, 상기 파우치 외장재로부터 상기 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴을 다수 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계는 파우치형 전지셀 조립 이후 활성화 충방전 단계의 지그 포메이션(jig formation)시 수행하는 것일 수 있다.

상기 지그 포메이션시 상기 파우치형 전지셀 양 쪽에 위치하는 두 개의 압착 플레이트 중 적어도 어느 하나를 상기 엠보싱 프레스 플레이트로 하여 상기 파우치형 전지셀을 압착할 수 있다.

상기 파우치형 전지셀을 압착하는 동안 상기 파우치형 전지셀을 가열할 수 있다.

상기 볼록한 둥근 엠보 패턴은 원형, 반구형, 곡면형 또는 원추대형 패턴일 수 있다.

상기 오목한 둥근 엠보 패턴의 깊이는 상기 오목한 둥근 엠보 패턴 형성 전후로 파우치형 이차전지 부피가 2~5% 감소되게 하는 정도일 수 있다.

상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계는 파우치형 전지셀에 PCM(protection circuit module, 보호회로 모듈)을 장착해 내장형 전지팩으로 제조한 이후에 단순 가압하는 단계일 수도 있다.

이 경우, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴의 깊이는 상기 오목한 둥근 엠보 패턴 형성 전후로 파우치형 이차전지 부피가 1~3% 감소되게 하는 정도일 수 있다.

본 발명에 의하면, 파우치형 이차전지의 용량 증대, 낙하 시험 강성을 높이는 효과가 있다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 파우치 외장재로부터 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴(다수의 음각 패턴)이 형성되면서 이 패턴에 의해 전극 조립체가 압축된 양태가 된다. 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 파우치 외장재 내부에 불필요한 공간을 남기지 않으므로 이차전지의 부피를 줄여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 불필요한 공간을 삭제하여 용량을 증가시킬 뿐만 아니라, 이러한 파우치형 이차전지를 포함하는 모듈/팩의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 파우치 외장재로부터 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴이 형성되면서 이 패턴에 의해 내부의 전극 조립체를 잡아줄 수 있어, 파우치 외장재 내에서의 전극 조립체의 미끄러짐을 방지할 수 있다. 이에 따라, 낙하 시험시 파우치 외장재 내측 표면 탈리가 늦춰져 낙하 시험 강성을 높일 수 있다. 낙하 시험 이후 이차전지 사용에 있어서도 외부의 물리적 충격에 의해 파우치 외장재가 찢어지는 문제를 해결할 수 있어 전해액의 누액 가능성이 감소되므로 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

이러한 오목한 둥근 엠보 패턴은 볼록한 둥근 엠보 패턴(다수의 양각 패턴)이 형성된 엠보싱 프레스 플레이트를 셀 공정 또는 팩 공정에 적용하여 형성할 수 있다. 평평한 프레스를 이용할 때에는 가압력의 한계치가 있을 수 밖에 없다. 본 발명에서는 평평한 프레스에 볼록한 형상의 압력점인 볼록한 둥근 엠보 패턴을 추가한 엠보싱 프레스 플레이트를 제안하여 그 가압력의 한계치를 극복하고, 평평한 프레스를 이용하거나 프레스를 이용하지 않을 때에 비해 이차전지 셀의 전해액 함침(wetting) 특성을 높여 공정 시간 단축 효과도 가질 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 내장형 전지팩 낙하 시험의 한 예를 도시한다.
도 2는 도 1의 낙하 시험 후 내장형 전지팩의 파우치형 전지셀 파우치 외장재 하단이 찢어진 경우의 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지로서 파우치형 전지셀의 사시도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV 단면도이다.
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조에 이용되는 이차전지 충방전 장치의 일부분을 개략적으로 도시한 측면도와 상면도이다.
도 7은 도 5의 이차전지 충방전 장치에 엠보싱 프레스 플레이트를 적용한 모습을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조 방법의 공정 단면도이다.
도 9와 도 10은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조에 이용되는 다른 이차전지 충방전 장치의 일부분을 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 다른 파우치형 이차전지로서 내장형 전지팩의 도면이다.
도 12는 실험예에서 제작한 내장형 전지팩의 모식도이다.
도 13은 도 12의 내장형 전지팩을 낙하 시험하기 위한 준비 상태의 도면이다.
도 14는 도 12의 내장형 전지팩 낙하 시험 준비 상태 및 낙하 시험 후의 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이고 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 가리킨다. 본 발명에서 파우치형 이차전지는 파우치형 전지셀, 그리고 이것을 포함하는 내장형 전지팩을 모두 포함한다.

도 3은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지인 파우치형 전지셀의 사시도이고, 도 4는 도 3의 IV-IV 단면도이다.

파우치형 전지셀(100)은 금속층(Al 포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 라미네이트 시트의 파우치 외장재(120)를 사용하여 외관을 구성하며, 전극 조립체(130)를 가운데에 두고 한 장 또는 두 장의 파우치 외장재(120)를 겹친 후 테두리 일부를 열융착 실링하며, 전해액 주액 후 남은 테두리마저 실링 밀봉 제조된다.

전극 조립체(130)는 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 전극은 양극 및 음극으로 구성된다. 이 때, 전극 조립체(130)는 양극/분리막/음극이 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 분리막은 절연 재질로 이루어져 양극과 음극 사이를 전기적으로 절연한다. 여기서, 분리막은 예를 들어 미다공성을 가지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등 폴리올레핀계 수지막으로 형성될 수 있다. 그리고, 전극 조립체(130)는 전극 및 분리막이 권취된 젤리 롤(jelly-roll)형 또는 전극 및 분리막이 폴딩(folding)된 폴디드(folded)형으로 형성될 수 있다.

이러한 파우치형 전지셀(100)에는 전극 조립체(130)가 적층된 형태로 수납되는데, 상기 전극 조립체(130)에는 전극 리드(150)가 연결되어 있고, 상기 전극 리드(150)는 파우치 외장재(120)로부터 돌출되어 있다. 전극 리드(150)와 파우치 외장재(120) 사이에는 실링 테이프(170)가 개재된다. 이러한 전극 리드(150)는 기기와 접촉을 통해 전기적으로 연결되어 기기에 전력을 공급하거나 공급받게 된다.

파우치형 전지셀(100)은 파우치 외장재(120)로부터 전극 조립체(130) 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴(다수의 음각 패턴, 180)이 형성되면서 이 패턴(180)에 의해 전극 조립체(130)가 더욱 압축된 양태가 된다.

이에 따라, 파우치형 전지셀(100)은 파우치 외장재(120) 내부에 불필요한 공간을 남기지 않으므로 이차전지의 부피를 줄여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 불필요한 공간을 삭제하여 용량을 증가시킬 뿐만 아니라, 이러한 파우치형 전지셀(100)을 포함하는 전지모듈/전지팩의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

파우치형 전지셀(100)은 파우치 외장재(120)로부터 전극 조립체(130) 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴(180)이 형성되면서 이 패턴(180)에 의해 내부의 전극 조립체(130)를 잡아줄 수 있어, 파우치 외장재(120) 내에서의 전극 조립체(130)의 미끄러짐을 방지할 수 있다. 이에 따라, 낙하 시험시 파우치 외장재(120) 내측 표면 탈리가 늦춰져 낙하 시험 강성을 높일 수 있다. 낙하 시험 이후 파우치형 전지셀(100) 사용에 있어서도 외부의 물리적 충격에 의해 파우치 외장재(120)가 찢어지는 문제를 해결할 수 있어 전해액의 누액 가능성이 감소되므로 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

오목한 둥근 엠보 패턴(180)은 파우치형 전지셀(100) 대면적 부분의 전체 면에 형성할 필요는 없고 하단쪽에 형성하여 하단 실링부 쪽의 강성을 보완하도록 한다. 파우치형 전지셀(100) 상단부(전극 리드(150)가 형성되는 쪽을 상단으로 봄)에는 셀에 대한 정보를 마킹하는 바코드 영역 등이 마련될 수 있기 때문에 그 부분에는 오목한 둥근 엠보 패턴(180)을 적용하는 것이 바람직하지 않다. 그리고, 파우치형 전지셀(100) 상단 실링부 쪽에는 PCM을 장착하여 전지팩으로 제조하고 있으므로 가급적 이 부분에 오목한 둥근 엠보 패턴(180)을 적용하지 않는 것이 좋다. 따라서, 본 발명의 오목한 둥근 엠보 패턴(180)은 파우치형 전지셀(100)에서 예를 들어 상단에서부터 전체 면적의 10~20% 이내에 있는 부분에는 형성하지 않고, 그 아래의 80~90% 면적에 해당하는 부분에 형성함이 바람직하다.

보다 구체적으로, 파우치형 전지셀(100)을 포함하는 내장형 전지팩은 두께 증가를 최소화 하기 위하여 팩 프레임에 파우치형 전지셀(100) 및 PCM이 탑재된 상태에서, 외면에 라벨(label)을 부착하는 구조로 완성될 수가 있다. 일반적으로, PCM은 일면에 안전소자가 돌출되어 있고, PCM과 파우치형 전지셀(100)의 전극 리드(150)와의 용접부가 상기와 동일한 일면에 형성되어 있으며, 팩 프레임에서 PCM이 안전소자가 전면부에 위치하도록 결합된다. PCM이 위치하는 부위에서 파우치형 전지셀(100)의 외면 평탄도가 고르지 못하면, 라벨이 손상되거나 접착력이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, 라벨이 부착될 부위에는 가급적 오목한 둥근 엠보 패턴(180)을 형성하지 않는 것이 좋다.

이처럼 오목한 둥근 엠보 패턴(180)을 파우치형 전지셀(100) 하단 쪽으로 위치하게 하면 상단 실링부 쪽의 데미지(damage)를 최소화하면서 낙하 시험시 곧잘 찢어지는 파우치 외장재 하단부의 찢어짐을 방지하는 효과가 탁월하다.

이러한 오목한 둥근 엠보 패턴(180)은 본 발명 제조 방법에 따라, 볼록한 둥근 엠보 패턴(다수의 양각 패턴)이 형성된 엠보싱 프레스 플레이트를 적용하여 형성할 수 있다. 평평한 프레스를 이용할 때에는 가압력의 한계치가 있을 수 밖에 없다. 본 발명에서는 평평한 프레스에 둥글게 볼록한 형상의 압력점인 볼록한 둥근 엠보 패턴을 추가한 엠보싱 프레스 플레이트를 제안하여 그 가압력의 한계치를 극복하고, 평평한 프레스를 이용하거나 프레스를 이용하지 않을 때에 비해 파우치형 전지셀(100)의 전해액 함침 특성을 높여 공정 시간 단축 효과도 가질 수 있다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조 방법은 볼록한 둥근 엠보 패턴이 형성된 엠보싱 프레스 플레이트를 적용해 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계를 포함한다. 상기 엠보싱 프레스 플레이트를 적용하는 단계는 셀 조립 라인에서 셀을 조립한 이후의 활성화 충방전 단계의 지그 포메이션시 수행할 수 있다. 즉, 셀 공정에서 적용할 수 있다.

파우치형 이차전지는 셀을 조립하는 과정과 전지를 활성화하는 과정을 거쳐 제조되며, 전지 활성화 단계에서는 충방전 장치에 셀을 탑재하고 활성화에 필요한 조건으로 충전 및 방전을 수행하게 된다. 이와 같이, 전지의 활성화를 위해 충방전 장치를 이용해 소정의 충방전을 실시하는 과정을 포메이션 공정이라고 하고, 충방전 장치와 같은 지그에 넣어 진행하는 것이기 때문에 지그 포메이션이라고도 한다.

이러한 포메이션 공정을 수행하기 위해서는 셀이 충방전 장치에 제대로 장착되어야 한다. 즉, 셀의 전극 리드가 충방전 장치의 도전부에 접하도록 배치되어 양자가 전기적으로 연결되어야 하고, 충방전이 진행되는 동안에 이러한 전기적 연결 상태가 유지되어야 한다.

이를 위해 이차전지의 충방전 장치는 셀을 고정하기 위한 복수 개의 압착 플레이트를 구비하는 것이 일반적이다. 상기 압착 플레이트 2장 사이에 각각 파우치형 전지셀을 끼우고 양측에서 압력을 가하면서, 셀의 전극 리드를 통해 전류를 인가하여 충전을 한다.

이와 같이, 압착 플레이트로 셀을 눌러줌으로써 충방전 과정에서 가스 발생에 따른 셀의 두께 증가를 억제할 수 있다. 이 때 발생한 가스는 가스 포켓부에 포집하여 활성화 공정 후 제거한다. 여기서 상기 가스 포켓부는 파우치 외장재의 일부분으로서 활성화 공정에서 가압되는 셀 바디 부분에서 전극 리드에 교차하는 방향으로 연장 형성되어 있는 부분으로 추후 파우치 외장재에서 커팅(cutting)처리될 수 있다.

도 5와 도 6은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조에 이용되는 이차전지 충방전 장치의 일부분을 개략적으로 도시한 측면도와 상면도이다. 도 7은 도 5의 이차전지 충방전 장치에 엠보싱 프레스 플레이트를 적용한 모습을 도시한다. 본 발명에서는 압착 플레이트(230)로서 도 7과 같은 엠보싱 프레스 플레이트를 적용함이 특징이다. 도 8은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조 방법의 공정 단면도이다.

이차전지 충방전 장치를 사용하여 포메이션 공정을 진행할 때, 우선 도 5에 도시한 바와 같이, 간지(240)를 사용하여 조립 완료 상태의 파우치형 전지셀(100')을 일정 높이로 떠받힌 상태에서 압착 플레이트(230)로 파우치형 전지셀(100')의 바디를 가압한다. 상기 간지(240)는 여러 겹으로 접혀 압착 플레이트(230)들 사이 공간에 개재될 수 있으며, 나머지 부분들은 압착 플레이트(230)의 상단에 고정될 수 있다. 예컨대, 도 6과 같이, 압착 플레이트(230)의 상단에 간지(240)의 일부분을 걸쳐 놓고 다시 그 위에 고정대(250)를 놓은 다음, 이들에 볼트(260)를 체결하여 간지(240)를 압착 플레이트(230)의 상단에 고정한다.

이 때, 파우치형 전지셀(100') 양 쪽에 위치하는 두 개의 압착 플레이트(230) 중 적어도 어느 하나를 도 7에서처럼 엠보싱 프레스 플레이트로 한다. 그러면 파우치형 전지셀(100')의 앞면 또는 뒷면에 오목한 둥근 엠보 패턴(180)을 형성할 수 있다.

엠보싱 프레스 플레이트는 도 7에 도시한 바와 같이, 평평한 플레이트(232)에 볼록 형상의 압력점이 추가된 것으로 구성할 수 있다. 볼록한 둥근 엠보 패턴(234) 즉, 다수의 양각 패턴을 더 형성하여 파우치형 전지셀(100')을 도 8과 같이 압착함으로써, 도 3에 도시한 것과 같은 파우치형 전지셀(100)로 제조할 수 있다.

이처럼, 지그 포메이션시 엠보싱 프레스 플레이트를 적용해 파우치형 전지셀 표면을 눌러주면, 셀의 용량 특성을 높일 수 있고, 엠보 형상이 전극 조립체를 잡아주어 파우치 외장재 내측 표면 탈리를 늦추는 결과 낙하 시험시 강성을 높이는 효과가 있다. 기존에도 이용되던 셀 공정 지그 포메이션에서 압착 플레이트의 형상만 엠보싱 프레스 플레이트로 바꿔 끼워 적용하면 되므로 기존 공정에 손쉽게 편입되어 수행이 될 수 있고, 조립된 셀에 대해 별개의 공정을 통해 오목한 둥근 엠보 패턴을 형성하는 단계를 추가할 필요가 없으므로 제조 공정 단순화 측면에서도 바람직하다.

한편, 도 9와 도 10은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조에 이용되는 다른 이차전지 충방전 장치의 일부분을 개략적으로 도시한 측면도들이다. 이 때에도 압착 플레이트(330)로서 도 7과 같은 엠보싱 프레스 플레이트를 적용할 수 있다.

도 9에 도시한 바와 같이, 간지(340)를 사용하여 파우치형 전지셀(100')을 일정 높이로 떠받힌 상태에서 압착 플레이트(330)로 파우치형 전지셀(100')의 바디를 가압한다.

이 때, 파우치형 전지셀(100') 양 쪽에 위치하는 두 개의 압착 플레이트(330) 중 적어도 어느 하나를 엠보싱 프레스 플레이트로 한다. 엠보싱 프레스 플레이트는 평평한 플레이트(232)에 볼록 형상의 압력점이 추가된 것으로 구성할 수 있다. 볼록한 둥근 엠보 패턴(234) 즉, 다수의 양각 패턴을 더 형성하여 파우치형 전지셀(100')을 압착하면, 파우치형 전지셀(100') 표면에 상기 양각 패턴이 반전된 형상인 오목한 둥근 엠보 패턴(180)이 형성되고, 도 3에 도시한 것과 같은 파우치형 전지셀(100)로 제조할 수 있다.

이 때, 평평한 플레이트(232)에서 파우치형 전지셀(100')과 대향하고 있지 않은 쪽에는 히터(236)를 더 구비할 수 있다. 히터(236)에 의한 가열 온도는 조절할 수 있다. 히터(236)로 가열하면서 충방전과 압착을 하면 활성화가 더욱 빨리 진행되고 활성화로 인한 가스 배출이 더욱 원활해질 뿐 아니라, 파우치 외장재(120) 연신율이 늘어나기 때문에 크랙 발생 없이 오목한 둥근 엠보 패턴(180)을 잘 형성할 수 있게 된다.

본 발명에 따르면 파우치형 전지셀(100')에 오목한 둥근 엠보 패턴(180)을 적용하지 않는 경우에 비해서 전해액 주액량을 5~10% 감소시킬 수 있다. 10% 이상 감소시키면 용량 감소의 위험이 있어 바람직하지 않다. 5% 이내로 감소시키면 엠보 패턴 프레싱 후 전해액 누액의 부작용이 있어 바람직하지 않다.

본 발명에서는 또한, 파우치 외장재(120)의 특성을 고려해 엠보싱 프레스 플레이트에 포함시키는 볼록한 둥근 엠보 패턴(234)으로서 신규 R-패턴을 적용한다. 본 발명에서는 파우치 외장재(120) 크랙 발생을 특히 고려해 볼록한 둥근 엠보 패턴(234)을 제안한다. 각이 지거나 모서리(edge)가 많은 패턴이 아닌, 원형, 반구형, 곡면형 또는 원추대(truncated cone)형 패턴을 적용하고 지그 포메이션시 히터(236)에 의한 열을 이용하는 히팅 프레스에 엠보 프레스를 결합시키므로 열에 의한 파우치 외장재(120) 연신이 잘 된다.

이처럼, 파우치 외장재(120)의 특성을 고려해 볼록한 둥근 엠보 패턴(234)을 적용함에 특징이 있다. 파우치 외장재(120)가 알루미늄을 포함하는 것이고, 외부 표면에 가압이 진행될 경우, 알루미늄 잔존량을 고려한 플레이트 형상이 적용되어야만 한다. 만약 사각 기둥처럼 모서리가 많은 패턴 형상의 패턴을 가진 프레스를 제작한다면, 파우치 외장재의 합성수지층(예컨대 나일론)이 손상되고 알루미늄의 미세 크랙이 발생되어 내부 단락의 위험이 있다. 이에, 본 발명에서는 원형, 반구형, 곡면형, 원추대형과 같은 둥근 패턴, 즉 R-패턴을 제안한다. 오목한 둥근 엠보 패턴(180)은 볼록한 둥근 엠보 패턴(234)이 반전된 형상으로 형성된다.

현재 제조되고 있는 파우치형 전지셀은 용량 특성 제약에 따라 파우치 외장재의 두께가 다른 것을 적용한다. 예를 들어 얇은 파우치 외장재는 86 um 정도의 두께를 가진다. 두꺼운 파우치 외장재는 111 um 정도의 두께를 가진다. 본 발명에서는 파우치 외장재의 두께에 따라 엠보 형상이 달리 적용된 프레스를 제작하여 진행하는 것도 제안한다.

도 3에 도시한 것과 같은 파우치형 전지셀(100)에서, 오목한 둥근 엠보 패턴(180)의 깊이는 오목한 둥근 엠보 패턴(180) 형성 전후로 파우치형 전지셀(100) 부피가 2~5% 감소되게 하는 정도로 한다. 86 um 내지 111 um 정도의 두께를 가지는 파우치 외장재가 파단없이 형성될 수 있는 오목한 둥근 엠보 패턴(180)의 최대 깊이가 0.8 mm 정도라고 한다면, 상기와 같은 부피 감소를 일으키는 오목한 둥근 엠보 패턴(180)의 깊이는 약 0.30~0.50mm 정도가 될 수 있다. 오목한 둥근 엠보 패턴(180)의 깊이는 오목한 둥근 엠보 패턴(180) 형성 전후로 파우치형 전지셀(100) 부피가 2~5% 감소되게 하는 정도로 하는 이유는 2% 미만으로 감소되게 하는 경우이면 낙하 시험시 강성을 높이는 데에 만족할 만한 정도가 아니고, 5% 초과로 감소되게 하는 정도까지는 필요하지 않기 때문이다.

이러한 오목한 둥근 엠보 패턴(180)을 형성하기 위해, 도 7에 도시한 것과 같은 엠보싱 프레스 플레이트에서 볼록한 둥근 엠보 패턴(234)은 라운드 형상으로 한다. 예를 들어, D1(아래쪽 반경) x D2(위쪽 반경)이 2.8 mm x 1.5 mm인 원추대형으로 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조 방법에서는 엠보싱 프레스 플레이트를 적용하는 단계는 파우치형 전지셀(100')에 PCM을 장착해 내장형 전지팩으로 제조한 이후에 단순 가압의 형태로 수행할 수도 있다. 다만, 셀 공정 지그 포메이션 적용 시 팩 상태의 단순 가압보다 안정적인 누름 형상과 압축 성형성이 우수하다.

도 11은 본 발명에 따른 다른 파우치형 이차전지로서 내장형 전지팩의 도면이다.

파우치형 전지셀(100')을 조립한 후, PCM을 장착하고, 정면에 이차전지 정보를 인쇄하고, 후면에는 앞에서 설명한 바와 같은 오목한 둥근 엠보 패턴(380)을 형성하면, 도 11에 도시한 바와 같은 내장형 전지팩(300)을 제조할 수 있다. PCM은 PCB, 접속부재, 와이어 커넥터 및 안전소자 등으로 이루어진 것일 수 있다. 도 11에는 와이어 커넥터를 가진 PCB를 예로서 도시하였다.

와이어 커넥터는 PCB의 상면에 결합될 수 있고, 안전소자는 PCB의 하면에 형성된 접속부재에 연결되어 있을 수 있다. 예를 들어, 접속부재는 파우치형 전지셀(100')의 전극 리드(150) 중 양극에 용접에 의해 결합되고, 안전소자는 파우치형 전지셀(100')의 전극 리드(150) 중 음극에 결합될 수 있다. 와이어 커넥터는 PCB의 상면에 결합되는 PCB 접속부, 내장형 전지팩(300)이 내장되는 디바이스에 연결되는 단부 커넥터 및 PCB 접속부와 단부 커넥터를 연결하는 와이어 케이블로 이루어져 있을 수 있다.

오목한 둥근 엠보 패턴(380)은 엠보싱 프레스 플레이트로 단순 가압을 하여 형성한다. 가열은 하지 않고 상온에서 진행한다. 가열을 해서 파우치 외장재(120)의 연신이 잘 되게 하는 경우보다는 크랙 발생 가능성이 있으므로, 단순 가압으로 형성하는 오목한 둥근 엠보 패턴(380)의 깊이는 지그 포메이션시 형성하는 오목한 둥근 엠보 패턴(180)의 깊이보다는 작게 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 오목한 둥근 엠보 패턴(380)의 깊이는 오목한 둥근 엠보 패턴(380) 형성 전후로 파우치형 전지셀(100) 부피가 1~3% 감소되게 하는 정도로 한다. 86 um 내지 111 um 정도의 두께를 가지는 파우치 외장재가 파단없이 형성될 수 있는 오목한 둥근 엠보 패턴(380)의 최대 깊이가 0.8 mm 정도라고 한다면, 상기와 같은 부피 감소를 일으키는 오목한 둥근 엠보 패턴(380)의 깊이는 약 0.24~0.30mm 정도가 될 수 있다. 이를 위해 엠보싱 프레스 플레이트의 볼록 형상 압력점 크기도 바뀔 수 있다. 오목한 둥근 엠보 패턴(380)의 깊이를 오목한 둥근 엠보 패턴(380) 형성 전후로 파우치형 전지셀(100) 부피가 1~3% 감소되게 하는 정도로 하는 이유는 1% 미만으로 감소되게 하는 경우이면 낙하 시험시 강성을 높이는 데에 만족할 만한 정도가 아니고, 3% 초과로 감소되게 하는 정도까지는 필요하지 않기 때문이다.

이상 설명한 오목한 둥근 엠보 패턴(180, 380)은 볼록한 둥근 엠보 패턴이 형성된 엠보싱 프레스 플레이트를 셀 공정 또는 팩 공정에 적용하여 형성할 수 있다. 가압은 바람직하게 최대 1,019 kg/f로 한다. 최대 압력을 넘어 누르면 파우치형 전지셀(100')에 데미지가 가해져 크랙이 발생할 위험이 있다. 압력은 0N보다 크기만 하면 된다. 그러나 압력이 작을수록 효과는 적기 때문에 가급적 최대 압력 미만에서 크게 하면 좋다.

도 12는 실험예에서 제작한 내장형 전지팩(300)의 모식도이다. 길이 × 너비 × 두께가 81.9 mm × 40.1 mm × 5.22 mm인 파우치형 전지셀을 제작해 PCM 장착 등 과정을 거쳐 팩 제조한 후 엠보싱 프레스 플레이트로 단순 가압하여 제조하였다. 셀의 용량은 3060 mAh이었으며 가압력은 10,000N로 하였다. 전극 조립체는 폴디드형이었다. 가압 전 파우치형 전지셀의 부피는 16005.1mm³이었고, 가압 후에는 15448.5mm³으로 측정되어, 가압 전후로 약 3.48% 부피 감소를 확인하였다. 실제 눌림 깊이는 0.3 ~ 0.5mm이었다.

이하 비교예와 실험예를 설명하여 본 발명의 효과에 대해 상세히 기술한다. 도 12와 같은 내장형 전지팩(300)을 실험예로써 준비하였다. 엠보싱 프레스 플레이트로 가압을 하지 않은 기존과 같은 내장형 전지팩인 비교예도 준비하였다.

비교예의 전해액 주액량은 1.70 g/Ah이고, 실험예의 전해액 주액량은 1.60 g/Ah이었다. 실험예의 경우 비교예보다 전해액의 주액량을 적게 하였어도 셀 용량은 동일함을 확인하였다. 바꾸어 말하면, 가압으로 눌러 없애는 부피만큼 전해액 필요량을 줄이는 효과를 확인한 것이다.

비교예의 경우 전해액 함침 후, 실험예의 경우 전해액 함침과 엠보싱 프레스까지 적용한 후 셀을 해체하여 양극과 음극의 밀도를 계산하였다. 비교예의 양극 밀도는 3.850 g/cc, 음극 밀도는 1.590 g/cc이었다. 실험예의 양극 밀도는 3.900 g/cc, 음극 밀도는 1.630 g/cc이었다. 실험예의 경우 비교예보다 밀도가 높은 것으로부터, 본 발명에서와 같은 프레싱 후에 함침 효과가 더욱 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

낙하 시험은 총 5개의 내장형 전지팩에 대해 실시해 검증하였다. 비교예 대해서도 낙하 시험을 동일하게 진행하였다.

도 13은 도 12의 내장형 전지팩(300)을 낙하 시험하기 위한 준비 상태의 도면이다. 내장형 전지팩(300) 테두리에 테이프(310)를 붙이고 이것을 도 1에 도시한 것과 같은 낙하 시험용 지그(10)에 부착한 후, 소정 높이에서 자유낙하 시험을 실시한다.

도 14는 도 12의 내장형 전지팩의 낙하 시험 준비 상태 및 낙하 시험 후의 사진이다. 도 14의 좌측 도면은 낙하 시험용 지그(10)에 부착된 내장형 전지팩(300)의 사진이다.

낙하 시험에서, 비교예의 경우 셀 하단 실링부에 크랙이 발생하여 도 2와 같은 상태가 되었으나, 실험예의 경우 도 14의 우측 도면에서 보는 바와 같이 5개 모두에서 파우치 외장재 하단부 찢어짐없이 유지되었다. 비교예와 같이 파우치 외장재 표면에 패턴이 없이 매끈한 경우, 낙하 시험용 지그(10)와 테이프(310), 그리고 파우치 외장재가 서로 빈 공간이 없게 완전히 밀착(접착)이 된다. 이 경우 낙하 시험시 파우치 외장재는 테이프(310)에 접착된 상태로 낙하 시험용 지그(10)에 붙어 있지만, 파우치 외장재 내의 전극 조립체는 파우치 외장재 내부에서 유동을 하기 때문에, 실험 결과에서 보는 바와 같이 파우치 외장재 찢어짐 또는 크랙 발생 등의 빈도가 높아진다. 본 발명에서와 같이 오목한 엠보 패턴을 적용하면, 파우치 외장재가 전극 조립체를 잡아준다. 즉, 폴디드형 전극 조립체를 부분 압축해, 낙사 시험시 파우치 외장재와 그 내부의 전극 조립체가 함께 움직일 수 있는 여지를 더 준다. 오목한 엠보 패턴은 낙하 시험시 전극 조립체의 분리막이 말려 올라가지 않도록 잡아주는 역할을 하여, 낙하 시험시 안정성을 보이게 된다. 이처럼, 오목한 엠보 패턴은 파우치 외장재 내부에서의 전극 조립체 미끄러짐을 완화해 낙하 충격을 완화하고 전극 조립체 유동에 의한 파우치 외장재 찢어짐 발생 빈도를 낮출 수 있다.

이와 같이, 실험을 통해, 기존보다 0.1g/Ah 적은 전해액 주입으로도 가압, 함침, 밀도량을 높인 효과를 확인하였다. 낙하 시험시 안정성이 우수하다는 점도 확인하였다. 이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 함침성 효과를 높일 수 있고, 파우치형 이차전지의 신뢰성(낙하 시험 통과율)을 높일 수 있다.

이상과 같이, 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.

10 : 낙하 시험용 지그 100, 100' : 파우치형 전지셀
120 : 파우치 외장재 130 : 전극 조립체
150 : 전극 리드 170 : 실링 테이프
180, 380 : 오목한 둥근 엠보 패턴 230, 330 : 압착 플레이트
240, 340 : 간지 250 : 고정대
260 : 볼트 232 : 평평한 플레이트
234 : 볼록한 둥근 엠보 패턴 236 : 히터
300 : 내장형 전지팩

Claims (11)

1. 전극 조립체와 전해액을 파우치 외장재 내에 수납하고 테두리를 실링하여 제조한 파우치형 이차전지에 있어서,
   상기 파우치 외장재로부터 상기 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴이 다수 형성되어 있고, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴이 상기 전극 조립체를 잡아주어 상기 파우치 외장재 내에서의 상기 전극 조립체의 미끄러짐을 방지하며,
   상기 오목한 둥근 엠보 패턴은 상기 파우치형 이차전지의 상단에서부터 전체 면적의 10~20% 이내에 있는 부분에는 형성되어 있지 않고, 그 아래의 80~90% 면적에 해당하는 부분에 형성되어 있어 하단 실링부 쪽의 강성을 보완하며, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴에 의해 상기 전극 조립체가 압축되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴은 원형, 반구형, 곡면형 또는 원추대(truncated cone)형 패턴인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
4. 전극 조립체와 전해액을 파우치 외장재 내에 수납하고 테두리를 실링하여 제조하는 파우치형 이차전지 제조 방법에 있어서,
   볼록한 둥근 엠보 패턴이 형성된 엠보싱 프레스 플레이트를 적용해 상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계를 포함함으로써, 상기 파우치 외장재로부터 상기 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴을 다수 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 오목한 둥근 엠보 패턴이 상기 전극 조립체를 잡아주어 상기 파우치 외장재 내에서의 상기 전극 조립체의 미끄러짐을 방지하며,
   상기 오목한 둥근 엠보 패턴은 상기 파우치형 이차전지의 상단에서부터 전체 면적의 10~20% 이내에 있는 부분에는 형성되어 있지 않고, 그 아래의 80~90% 면적에 해당하는 부분에 형성되어 있어 하단 실링부 쪽의 강성을 보완하도록 하며, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴에 의해 상기 전극 조립체가 압축되도록 하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계는 파우치형 전지셀 조립 이후 활성화 충방전 단계의 지그 포메이션시 수행하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 지그 포메이션시 상기 파우치형 전지셀 양 쪽에 위치하는 두 개의 압착 플레이트 중 적어도 어느 하나를 상기 엠보싱 프레스 플레이트로 하여 상기 파우치형 전지셀을 압착하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
7. 전극 조립체와 전해액을 파우치 외장재 내에 수납하고 테두리를 실링하여 제조하는 파우치형 이차전지 제조 방법에 있어서,
   볼록한 둥근 엠보 패턴이 형성된 엠보싱 프레스 플레이트를 적용해 상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계를 포함함으로써, 상기 파우치 외장재로부터 상기 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴을 다수 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계는 파우치형 전지셀 조립 이후 활성화 충방전 단계의 지그 포메이션시 수행하며,
   상기 지그 포메이션시 간지를 사용하여 상기 파우치형 전지셀을 떠받힌 상태에서 상기 파우치형 전지셀 양 쪽에 위치하는 두 개의 압착 플레이트 중 적어도 어느 하나를 상기 엠보싱 프레스 플레이트로 하여 상기 파우치형 전지셀을 압착하고,
   상기 파우치형 전지셀을 압착하는 동안 상기 파우치형 전지셀을 가열하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 볼록한 둥근 엠보 패턴은 원형, 반구형, 곡면형 또는 원추대형 패턴인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴의 깊이는 상기 오목한 둥근 엠보 패턴 형성 전후로 파우치형 이차전지 부피가 2~5% 감소되게 하는 정도인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
10. 전극 조립체와 전해액을 파우치 외장재 내에 수납하고 테두리를 실링하여 제조하는 파우치형 이차전지 제조 방법에 있어서,
    볼록한 둥근 엠보 패턴이 형성된 엠보싱 프레스 플레이트를 적용해 상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계를 포함함으로써, 상기 파우치 외장재로부터 상기 전극 조립체 쪽으로 오목한 둥근 엠보 패턴을 다수 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 파우치형 이차전지 표면을 눌러주는 단계는 파우치형 전지셀에 PCM을 장착해 내장형 전지팩으로 제조한 이후에 상온에서 최대 1,019 kg/f로 단순 가압하는 단계인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 오목한 둥근 엠보 패턴의 깊이는 상기 오목한 둥근 엠보 패턴 형성 전후로 파우치형 이차전지 부피가 1~3% 감소되게 하는 정도인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.

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