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KR20220083025A - 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법 - Google Patents

전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법 Download PDF

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KR20220083025A
KR20220083025A KR1020200172837A KR20200172837A KR20220083025A KR 20220083025 A KR20220083025 A KR 20220083025A KR 1020200172837 A KR1020200172837 A KR 1020200172837A KR 20200172837 A KR20200172837 A KR 20200172837A KR 20220083025 A KR20220083025 A KR 20220083025A
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KR
South Korea
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battery cell
charging
discharging device
plates
grippers
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Application number
KR1020200172837A
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English (en)
Inventor
홍석현
배준성
이의경
김상지
이범군
배동훈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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Priority to US17/917,788 priority patent/US20230135483A1/en
Priority to PCT/KR2021/017128 priority patent/WO2022124629A1/ko
Priority to CN202180027737.0A priority patent/CN115428228A/zh
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Abstract

본 발명은 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있는 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법에 관한 것이다.

Description

전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법{CHARGING AND DISCHARGING DEVICE OF BATTERY CELL, AND CHARGING AND DISCHARGING METHOD OF BATTERY CELL USING THE SAME}
본 발명은 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 그 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있다. 그 중 파우치형 이차전지는 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있어 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 파우치형 이차전지에는 전극 조립체가 적층된 형태로 수납되는데, 상기 전극 조립체에는 전극 탭 및 전극 리드가 연결되어 있고, 상기 전극 리드는 파우치 외장재로부터 돌출되어 있다. 이러한 전극 리드는 외부 장치와 접촉을 통해 전기적으로 연결되어 외부장치로부터 전력을 공급받게 된다.
파우치형 이차전지(이하, 전지 셀)는 셀을 조립하는 과정과 전지를 활성화하는 과정을 거쳐 제조되며, 전지 활성화 단계에서는 충방전 장치에 전지 셀을 탑재하고 활성화에 필요한 조건으로 충전 및 방전을 수행하게 된다. 이와 같이, 전지 셀의 활성화를 위해 충방전 장치를 이용해 소정의 충방전을 실시하는 과정을 활성화(formation) 공정이라고 한다.
이러한 전지 셀의 활성화 공정을 수행하기 위해서는 전지 셀이 충방전 장치에 제대로 장착되어야 한다. 즉, 전지 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 전지 셀을 고정하기 위한 복수개의 압착 플레이트를 구비하는 것이 일반적이다. 상기 압착 플레이트 2장 사이에 각각의 전지 셀을 끼우고 양측에서 압력을 가하면서, 전지 셀의 리드를 통해 전류를 인가하여 충전을 한다.
이와 같이, 압착 플레이트로 전지 셀을 눌러줌으로써 충방전 과정에서 가스 발생에 따른 전지 셀의 두께 증가를 억제할 수 있다. 이때, 발생한 가스는 가스 포켓에 포집하여 활성화 공정 후 제거한다. 여기서, 상기 가스 포켓은 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.
한편, 상기 활성화 공정에 의해서 가스 포켓이 충분히 팽창된 경우, 전지 셀 내부에서 추가 생성된 가스는 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역을 팽창시키게 된다. 이에 따라, 충방전 과정에서 생성된 가스로 인해 파우치 외장재 내부 압력이 증가하게 되어, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 접착층이 깨어지는 문제가 발생하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 활성화 공정을 거친 파우치형 전지 셀을 보여주는 사진이며, 도 2는 종래 기술에 따른 활성화 공정을 거친 파우치형 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역을 나타낸 모식도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 활성화 공정을 거친 파우치형 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역의 내부 접착층이 깨어져 부풀어 오르는 현상이 발생할 수 있다. 한편, 파우치 외장재는 폴리머 재질의 외부 절연층과 내부 접착층, 그리고 외부 절연층과 내부 접착층 사이에 개재된 금속층으로 구성될 수 있는데, 상술한 현상으로 인해, 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역의 금속층이 노출되어 절연전압 불량이 야기되고 있다.
따라서, 이러한 전지 셀의 작동에 심각한 문제들을 유발할 수 있기 때문에 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있는 충방전 장치 및 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
한국 공개특허 제2019-0072289호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있는 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전지 셀의 충방전 장치를 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치는 전지 셀을 사이에 두고 양면을 가압하는 제1 및 제2 플레이트; 및 제1 및 제2 플레이트에 각각 형성된 구조이며, 서로 대면하는 부위에 돌출되는 구조를 갖는 제1 및 제2 가압 블록을 포함한다. 이때, 상기 제1 및 제2 가압 블록은, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역에 배치되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치는 상기 제1 플레이트와 제1 가압 블록 사이 및 제2 플레이트와 제2 가압 블록 사이에 각각 탄성 가압부재가 개재되는 구조이다. 구체적인 예에서, 상기 탄성 가압부재는, 코일 스프링, 판 스프링 또는 고무소재이다.
하나의 예에서, 상기 제1 및 제2 가압 블록은, 각각 제1 및 제2 플레이트의 길이에 대하여 80 % 이상의 길이를 갖는 구조이다.
하나의 예에서, 상기 제1 및 제2 플레이트는, 각각 양측 단부에 서로 대면하는 방향으로 돌출되는 제1 및 제2 그리퍼를 포함한다. 아울러, 상기 제1 및 제2 그리퍼는, 전지 셀의 전극 리드와 접촉하는 구조일 수 있다.
나아가, 상기 제1 및 제2 그리퍼는, 전지 셀의 전극 리드와 접촉하는 표면에 양각 또는 음각의 패턴이 형성된 구조일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 제1 및 제2 플레이트는, 절연성 소재이며, 제1 및 제2 그리퍼는, 전도성 소재로 구성된다.
다른 하나의 예에서, 제1 및 제2 그리퍼는, 전지 셀의 전극 리드와 접촉하여 전류를 인가하는 전류 단자가 전기적으로 연결되는 구조일 수 있으며, 제1 및 제2 그리퍼는, 전지 셀의 전극 리드와 접촉하여 전압을 검출하는 전압 단자가 전기적으로 연결되는 구조일 수 있다.
나아가, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀의 충방전 장치를 이용한 전지 셀의 충방전 방법을 제공한다.
본 발명의 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법에 따르면, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역을 가압하는 제1 및 제2 가압 블록을 포함하여, 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 활성화 공정을 거친 파우치형 전지 셀을 보여주는 사진이다.
도 2는 종래 기술에 따른 활성화 공정을 거친 파우치형 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 충방전 장치를 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 충방전 장치에서 플레이트에 가압 블록이 형성된 구조를 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 충방전 장치를 보여주는 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 충방전 장치를 사용하여 활성화 공정을 진행할 때, 전지 셀의 두께를 형성하는 전지 셀의 바디 부분은 충방전 과정에서 압착 플레이트에 의해 가압될 수 있지만, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영영윽 부분 실링되어 있어 압착 플레이트에 의해 가압되지 못하고 있다. 활성화 공정에 의해서 가스 포켓이 충분히 팽창된 경우, 전지 셀 내부에서 추가 생성된 가스는 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역을 팽창시키게 된다. 이에 따라, 충방전 과정에서 생성된 가스로 인해 파우치 외장재 내부 압력이 증가하게 되어, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 접착층이 깨어지는 문제가 발생하고 있다. 한편, 파우치 외장재는 폴리머 재질의 외부 절연층과 내부 접착층, 그리고 외부 절연층과 내부 접착층 사이에 개재된 금속층으로 구성될 수 있는데, 상술한 현상으로 인해, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 금속층이 노출되어 절연전압 불량이 야기되고 있다.
이에, 본 발명에서는 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있는 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 전지 셀의 충방전 장치는 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역을 가압하는 제1 및 제2 가압 블록을 포함하여, 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 충방전 방법을 상세하게 설명한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 충방전 장치는 전지 셀을 사이에 두고 양면을 가압하는 제1 및 제2 플레이트; 및 제1 및 제2 플레이트에 각각 형성된 구조이며, 서로 대면하는 부위에 돌출되는 구조를 갖는 제1 및 제2 가압 블록을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제1 및 제2 가압 블록은, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역에 배치되는 구조를 갖는다.
일반적으로, 활성화 과정에서 전지 셀은 양극판과 음극판의 팽창 또는 가스 발생으로 인해 부풀어 오르는 스웰링(swelling)이 발생할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 플레이트는 활성화 과정에서 전지 셀들을 가압하여 스웰링을 막아주는 역할을 한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 충방전 장치에서 제1 및 제2 플레이트는 각각 상호 대면하여 소정 거리 이격 배치되고, 상기 이격 공간이 좁혀지거나, 넓어지게 각각 이동하도록 구성된다. 즉, 전지 셀은 제1 및 제2 플레이트 사이에 배치되며, 제1 및 제2 플레이트는 전지 셀의 양면을 가압하는 방향으로 이동하여, 상기 전지 셀을 가압한다.
한편, 제1 및 제2 플레이트는 그 일측 영역에 연장되어 있는 샤프트를 따라 병진 운동 가능하게 연결되고, 상기 샤프트의 일단에는 기어들이 연결되며, 이들 기어들에는 구동모터가 연결될 수 있다. 물론, 전지 셀을 가압하는 방향으로 각각의 제1 및 제2 플레이트를 이동시킬 수 있는 구동 메커니즘을 갖는 기계적 조합이라면 어떠한 기계적 조합을 채용해도 좋다.
상기 전지 셀은 파우치 타입의 단위 셀로, 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장될 수 있다. 상기 전극 리드는 시트 외측으로 인출되되 서로 동일한 방향 또는 반대 방향으로 연장될 수 있다. 본 발명의 도면에서는 도면 도시의 편의상 한 쌍의 전극 리드가 서로 반대방향으로 인출된 형태를 갖는 파우치 타입 전지 셀에 대해서만 도시하고 있으나, 본 발명에 따른 충방전 장치에 적용되는 전지 셀은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 한 쌍의 전극 리드가 서로 동일한 방향으로 인출되는 경우도 가능한 것이다. 다만, 상기 파우치 타입의 전지 셀은 가스 포켓을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 포켓은 파우치 외장재의 일부분으로서 활성화 공정에서 가압되는 전지 셀의 바디 영역에서 전극 리드에 교차하는 방향으로 연장되어 있는 부분으로 추후 파우치 외장재에서 커팅(cutting) 처리 될 수 있다.
하나의 예에서, 상기 제1 및 제2 플레이트는 높은 열과 압력에도 변형이 없도록 기계적 강성이 높은 금속 재질로 마련될 수 있으며, 예를 들면, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸일 수 있다. 다만, 상기 압착 플레이트가 금속 재질로 한정되는 것은 아니며, 상기 압착 플레이트는 강화 플라스틱, 강화 세라믹 또는 강화 유리등으로 제작될 수 있다.
하나의 예에서, 제1 및 제2 플레이트 사이에는 비활성화 상태로 가스 포켓을 포함하는 전지 셀들이 픽업 장비로 운반되어 각각 하나씩 끼워 넣어져 배치된다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치는 제1 및 제2 가압 블록을 포함한다. 구체적인 예에서, 상기 제1 및 제2 가압 블록은 제1 및 제2 플레이트의 내면에 형성된 구조이며, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역에 배치되는 구조이다. 상기 제1 및 제2 가압 블록은 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제하기 위함이며, 나아가, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역에서의 파우치 변형을 방지하기 위함이다.
하나의 예에서, 상기 제1 및 제2 가압 블록 제1 및 제2 플레이트의 길이 방향을 따라 형성된다. 여기서, 길이 방향이라 함은 전지 셀의 바디에서 전극 리드가 돌출되는 구조와 교차하는 방향으로 연장되는 방향을 의미한다. 아울러, 상기 제1 및 제2 가압 블록은 각각 제1 및 제2 플레이트의 길이에 대하여 80 % 이상의 길이를 갖는다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 가압 블록은 각각 제1 및 제2 플레이트의 전체 길이와 대응되는 구조일 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 제1 및 제2 가압 블록의 길이는 활성화 대상이 되는 전지 셀의 길이의 80% 내지 120% 범위를 갖는다. 아울러, 상기 제1 및 제2 가압 블록은 그 단면을 기준으로 보았을 때 볼록한 형상일 수 있다. 이는, 전지 셀의 활성화 공정에서, 전지 셀에 직접적으로 접촉하는 면적을 늘려 보다 효율적으로 가압하기 위함이고, 전지 셀과 접촉하는 면적을 보다 완만하게 하여, 전지 셀에 손상을 가하지 않게 하기 위함이다.
한편, 상기 제1 및 제2 가압 블록은 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제하기 위한 것이나, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이에 형성되어 있는 가스 이동 통로를 폐쇄해서는 안된다. 즉, 상기 제1 및 제2 가압 블록은 10~20 mm 수준으로 가압하여 가스 포켓의 팽창 Capa를 줄이지 않는 것이 바람직하다.
다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치는 제1 플레이트와 제1 가압 블록 사이 및 제2 플레이트와 제2 가압 블록 사이에 각각 탄성 가압부재가 개재되는 구조이다. 상기 탄성 가압부재는 코일 스프링, 판 스프링 또는 고무소재 부재이며, 예를 들어, 상기 탄성 가압부재는 코일 스프링일 수 있다. 상기 코일 스프링은 압축력에 저항하는 힘을 가진 스프링으로 압축 스프링을 의미한다.
구체적인 예에서, 상기 제1 및 제2 가압 블록은 제1 및 제2 플레이트와 탄성 가압부재에 의해 연결되어, 제1 및 제2 플레이트의 이동시 일체로 이동될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 플레이트가 전지 셀의 바디 영역을 가압할 때, 제1 및 제2 블록은 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역을 가압한다. 이때, 제1 및 제 2 가압 블록은 탄성 가압부재에 탄성적으로 밀려 들어가게 되어 전지 셀의 해당 영역 접촉시 충격이 흡수될 수 있으며, 상기 탄성 가압부재의 탄성 복원력이 작용하여 접촉 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다.
나아가, 상기 제1 및 제2 가압 블록은 전지 셀과 직접 접촉하는 부분으로 에폭시(epoxy) 재질로 제조될 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치는 전극 리드와 접촉하는 구조의 제1 및 제2 그리퍼를 포함한다. 상기 제1 및 제2 그리퍼는 전지 셀의 전극 리드들과 접촉하여 전지 셀에 전류를 인가하여 전압을 검출하는 역할을 한다. 특히, 상기 제1 및 제2 그리퍼는 각각 제1 및 제2 플레이트에 연결되어 제1 및 제2 플레이트의 이동시 일체로 이동하도록 구성되어 있다. 구체적인 예에서, 상기 제1 및 제2 그리퍼는 제1 및 제2 플레이트에 연결되되, 서로 대면하는 부위에 돌출되어 전극 리드와 접촉하는 구조를 갖는다. 상기 제1 그리퍼는 제1 플레이트의 양측 단부에 각각 연결되어, 제1 플레이트와 수직 돌출된 구조이며, 제2 그리퍼는 제2 플레이트의 양측 단부에 각각 연결되어, 제2 플레이트와 수직 돌출된 구조일 수 있다. 이때, 제1 및 제2 그리퍼는 서로 대면하는 영역에 배치되어 전지 셀의 전극 리드를 용이하게 고정할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 제1 및 제2 그리퍼는 전지 셀의 전극 리드와 접촉하여 전류를 인가하는 전류 단자가 전기적으로 연결되는 구조이고, 전지 셀의 전극 리드와 접촉하여 전압을 검출하는 전압 단자가 전기적으로 연결되는 구조이다. 상기 제1 및 제2 그리퍼 자체가 전류 단자 및 전압 단자로 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 그리퍼는 전도성 부재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 그리퍼는 알루미늄, 구리 또는 니켈 일 수 있으며, 전기전도성이 우수한 니켈 또는 구리일 수 있으며, 또는 니켈 또는 구리에 니켈이 도금된 것일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 하나의 예에서, 제1 및 제2 그리퍼는 상술한 바와 같이 전류 단자 및 전압 단자를 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 전류 단자 및 전압 단자는 제1 및 제2 플레이트가 전지 셀을 가압할 때, 전지 셀의 전극 리드와 전기적으로 접촉하도록 구성된다. 나아가, 전류 단자 및 전압 단자에는 전류를 공급하기 위한 케이블이 연결될 수 있다.
다른 하나의 예에서, 상기 제1 및 제2 그리퍼는 전극 리드와 접촉하는 표면에 양각 또는 음각의 그리드가 형성된 구조를 갖는다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 그리퍼의 표면에 그리드를 형성함으로써, 제1 및 제2 그리퍼는 전지 셀의 전극 리드에 대한 고정력을 높일 수 있다. 본 발명에서 '그리드(grid)'는, 격자 또는 바둑판 눈금 형상의 패턴을 의미하며, 2종 이상의 평행한 패턴이 서로 교차하는 형태를 총칭하는 의미이다. 구체적인 실시예에서, 제1 및 제2 그리퍼의 표면에 형성된 음각 또는 양각의 그리드의 함입 깊이 또는 돌출 높이는, 평균 0.001 내지 1 mm 범위이다. 예를 들어, 그리드의 함입 깊이 또는 돌출 높이는, 평균 0.001 내지 0.1 mm 범위, 0.001 내지 0.01 mm 범위, 0.001 내지 0.1 mm 범위 또는 0.01 내지 0.05 mm 범위이다. 본 발명에서는 매우 낮은 수준의 함입 또는 돌출된 패턴을 형성함으로써, 전글 리드의 기계적 물성을 저하시키지 않으면서도 전극 리드와 고정력을 높이게 된다.
한편, 상기 제1 및 제2 그리퍼의 돌출된 구조는, 제1 및 제2 가압 블록의 돌출된 구조보다 높은 높이일 수 있다. 구체적인 예에서, 제1 및 제2 그리퍼는 제1 및 제2 가압 블록의 돌출된 구조보다 10 % 이상 돌출된 구조이다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 그리퍼의 높이가 22 mm 일 때, 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)의 높이는 20 mm 이하의 높이일 수 있다. 이는, 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이에 형성되어 있는 가스 이동 통로가 폐쇄 되는 것을 방지하기 위함이다.
다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치는 제1 그리퍼와 제1 플레이트 사이, 및 제2 그리퍼와 제2 플레이트 사이 중 하나 이상에 탄성 가압부재가 개재되는 구조를 갖는다. 예를 들어, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치는 제2 그리퍼와 제2 플레이트 사이에 탄성 가압부재가 개재되는 구조를 갖는다.
구체적인 예에서, 제1 및 제2 플레이트가 전지 셀을 가압할 때, 상기 탄성 가압부재에 연결되는 제2 그리퍼는, 탄성적으로 밀려 들어가게 되어 전지 셀의 전극 리드와 접촉시 충격이 흡수될 수 있으며, 탄성 가압부재의 탄성 복원력이 작용하여 접촉 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다. 한편, 상기 제2 그리퍼와 제2 플레이트 사이에 배치되는 탄성 가압부재는 가압 블록과 플레이트 사이에 배치되는 탄성 가압부재와는 탄성계수가 서로 다를 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치는 전극 리드를 용이하게 고정할 수 있으며, 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있다.
나아가, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀의 활성화 장치를 이용한 전지 셀의 활성화 방법을 제공한다. 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 활성화 방법은 전지 셀의 충방전 장치에 전지 셀을 개재한 후 수행될 수 있다. 본 발명의 전지 셀의 충방전 방법에 따르면, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역을 가압하는 제1 및 제2 가압 블록을 포함하여, 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 가압 블록의 가압 범위는 평균 5 내지 15 mm 범위일 수 있으며, 평균 10 mm 수준으로 전지 셀을 가압할 수 있다.
이하에서는, 전지 셀의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있는 전지 셀의 충방전 장치의 다양한 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
(제1 실시형태)
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 충방전 장치를 보여주는 모식도이며, 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 충방전 장치에서 플레이트에 가압 블록이 형성된 구조를 보여주는 모식도이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치(100)는 전지 셀(1)을 사이에 두고 양면을 가압하는 제1 및 제2 플레이트(111, 112); 및 제1 및 제2 플레이트(111, 112)에 각각 형성된 구조이며, 서로 대면하는 부위에 돌출되는 구조를 갖는 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은, 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역에 배치되는 구조를 갖는다.
활성화 과정에서 전지 셀은 양극판과 음극판의 팽창 또는 가스 발생으로 인해 부풀어 오르는 스웰링(swelling)이 발생할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 플레이트(111, 112)는 활성화 과정에서 전지 셀(1)들을 가압하여 스웰링을 막아주는 압착 플레이트이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 충방전 장치(100)에서 제1 및 제2 플레이트(111, 112)는 각각 상호 대면하여 소정 거리 이격 배치되고, 상기 이격 공간이 좁혀지거나, 넓어지게 각각 이동하도록 구성된다. 즉, 전지 셀(1)은 제1 및 제2 플레이트(111, 112) 사이에 배치되며, 제1 플레이트(111)와 제2 플레이트(112)는 전지 셀(1)의 양면을 가압하는 방향으로 이동하여, 상기 전지 셀(1)을 가압한다.
도면상에 도시하지 않았으나, 제1 및 제2 플레이트(111, 112)는 그 일측 영역에 연장되어 있는 샤프트를 따라 병진 운동 가능하게 연결되고, 상기 샤프트의 일단에는 기어들이 연결되며, 이들 기어들에는 구동모터가 연결될 수 있다. 물론, 전지 셀(1)을 가압하는 방향으로 각각의 제1 및 제2 플레이트(111, 112)를 이동시킬 수 있는 구동 메커니즘을 갖는 기계적 조합이라면 어떠한 기계적 조합을 채용해도 좋다.
한편, 제1 및 제2 플레이트(111, 112)는 높은 열과 압력에도 변형이 없도록 강성이 높은 재질로 이루어진다. 예컨대, 상기 제1 및 제2 플레이트(111, 112)는 강화 플라스틱으로 이루어진다.
나아가, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치(100)는 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)을 포함한다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은 제1 및 제2 플레이트(111, 112)의 내면에 형성된 구조이며, 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역에 배치되는 구조이다. 상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은 전지 셀(1)의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역의 부품 현상을 억제하기 위함이며, 나아가, 전지 셀(1)의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역에서의 파우치 변형을 방지하기 위함이다.
구체적으로, 상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은 제1 및 제2 플레이트(111, 112)의 길이 방향을 따라 형성된다. 여기서, 길이 방향이라 함은 전지 셀의 바디(1a)에서 전극 리드에 교차하는 방향으로 연장되는 방향을 의미한다. 아울러, 상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은 각각 제1 및 제2 플레이트(111, 112)의 길이에 대하여 80 % 이상의 길이를 갖는다. 도 4에서, 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은 각각 제1 및 제2 플레이트(111, 112)의 전체 길이와 대응되는 구조로 도시되어 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)의 길이는 활성화 대상이 되는 전지 셀(1)의 길이의 80% 내지 120% 범위이다. 아울러, 상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은 그 단면을 기준으로 보았을 때 볼록한 형상을 갖는다. 이는, 전지 셀(1)의 활성화 공정에서, 전지 셀(1)에 직접적으로 접촉하는 면적을 늘려 보다 효율적으로 가압하기 위함이고, 전지 셀(1)과 접촉하는 면적을 보다 완만하게 하여, 전지 셀(1)에 손상을 가하지 않게 하기 위함이다.
한편, 상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역의 부품 현상을 억제하기 위한 것이나, 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이에 형성되어 있는 가스 이동 통로를 폐쇄해서는 안된다. 즉, 상기 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)은 10~20 mm 수준으로 가압하여 가스 포켓의 팽창 Capa를 줄이지 않는 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치(100)는 전극 리드(1c)와 접촉하는 구조의 제1 및 제2 그리퍼(131, 132)를 포함한다. 상기 제1 및 제2 그리퍼(131, 132)는 전극 리드(1c)들과 접촉하여 전지 셀(1)에 전류를 인가하여 전압을 검출하는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 그리퍼(131, 132)는 각각 제1 및 제2 플레이트(111, 112)에 연결되어 제1 및 제2 플레이트(111, 112)의 이동시 일체로 이동하도록 구성되어 있다. 상기 제1 및 제2 그리퍼(131, 132)는 제1 및 제2 플레이트(111, 112)에 연결되되, 서로 대면하는 부위에 돌출되어 전지 셀(1)의 전극 리드(1c)와 접촉하는 구조를 갖는다. 구체적으로, 제1 그리퍼(131)는 제1 플레이트(111)의 양측 단부에 각각 연결되어, 제1 플레이트(111)로부터 수직 돌출된 구조이다. 아울러, 제2 그리퍼(132)는 제2 플레이트(112)의 양측 단부에 각각 연결되어, 제2 플레이트(112)로부터 수직 돌출된 구조이다.
상기 제1 및 제2 그리퍼(131, 132)의 돌출된 구조는, 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)의 돌출된 구조보다 높은 높이를 갖는다. 도면에는 도시되어 있지 않으나, 제1 및 제2 그리퍼(131, 132)는 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)의 돌출된 구조보다 10 % 이상 돌출된 구조이다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 그리퍼(131, 132)의 높이가 22 mm 일 때, 제1 및 제2 가압 블록(121, 122)의 높이는 20 mm 이하의 높이이다. 이는, 전지 셀(1)의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이에 형성되어 있는 가스 이동 통로가 폐쇄 되는 것을 방지하기 위함이다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치(100)는 전지 셀(1)의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역의 부품 현상을 억제할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 충방전 장치를 보여주는 모식도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 충방전 장치(200)는 전지 셀(1)을 사이에 두고 양면을 가압하는 제1 및 제2 플레이트(211, 212); 및 제1 및 제2 플레이트(211, 212)에 각각 형성된 구조이며, 서로 대면하는 부위에 돌출되는 구조를 갖는 제1 및 제2 가압 블록(221, 222)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제1 및 제2 가압 블록(221, 222)은, 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역에 배치되는 구조를 갖는다.
아울러, 본 발명에 따른 전지 셀의 충방전 장치(200)는 제1 플레이트(211)와 제1 가압 블록(221) 사이 및 제2 플레이트(212)와 제2 가압 블록(222) 사이에 각각 탄성 가압부재(240)가 개재되는 구조이다. 이때, 상기 탄성 가압부재(240)는 코일 스프링을 사용한다.
상기 제1 및 제2 가압 블록(221, 222)은 제1 및 제2 플레이트(211, 212)와 탄성 가압부재(240)에 의해 연결되어, 제1 및 제2 플레이트(211, 212)의 이동시 일체로 이동될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 플레이트(211, 212)가 전지 셀(1)의 바디 (1a)를 가압할 때, 제1 및 제2 블록(221, 222)는 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이 영역을 가압한다. 이때, 제1 및 제 2 가압 블록(221, 222)은 탄성 가압부재(240)에 탄성적으로 밀려 들어가게 되어 전지 셀(1)의 해당 영역 접촉시 충격이 흡수될 수 있으며, 상기 탄성 가압부재(240)의 탄성 복원력이 작용하여 접촉 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다.
한편, 제1 및 제2 가압 블록(221, 222)이 탄성 가압부재(240)에 의해 복원된 상태의 높이는 제1 및 제2 그리퍼(미도시)의 돌출된 구조보다 낮은 높이를 갖는다. 구체적으로, 제1 및 제2 그리퍼의 돌출된 구조는, 제1 및 제2 가압 블록(221, 222)이 탄성 가압부재(240)에 의해 복원된 상태의 높이에 대하여 약 10% 이상 높은 높이를 갖는다. 예를 들어, 제1 및 제2 가압 블록(221, 222)이 탄성 가압부재(240)에 의해 복원된 상태의 높이가 약 20mm 라고 할 때, 제1 및 제2 그리퍼의 돌출된 구조는 약 22 mm 일 수 있다. 이는, 전지 셀(1)의 활성화 공정에서 전지 셀의 바디(1a)와 가스 포켓(1b) 사이에 형성되어 있는 가스 이동 통로가 폐쇄 되는 것을 방지하기 위함이다.
전지 셀의 충방전 장치(200)의 각 구성에 대한 설명은 상술하였으므로, 각 구성의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
1: 전지 셀
1a: 전지 셀의 바디
1b: 가스 포켓
1c: 전극 리드
10, 100, 200: 전지 셀의 충방전 장치
111, 211: 제1 플레이트
112, 212: 제2 플레이트
121, 221: 제1 가압 블록
122, 222: 제2 가압 블록
131: 제1 그리퍼
132: 제2 그리퍼
240: 탄성 가압부재

Claims (10)

  1. 전지 셀을 사이에 두고 양면을 가압하는 제1 및 제2 플레이트; 및
    제1 및 제2 플레이트에 각각 형성된 구조이며, 서로 대면하는 부위에 돌출되는 구조를 갖는 제1 및 제2 가압 블록을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 가압 블록은, 전지 셀의 바디와 가스 포켓 사이 영역에 배치되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전지 셀의 충방전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 플레이트와 제1 가압 블록 사이 및 제2 플레이트와 제2 가압 블록 사이에 각각 탄성 가압부재가 개재되는 구조인 전지 셀의 충방전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    탄성 가압부재는, 코일 스프링, 판 스프링 또는 고무소재인 전지 셀의 충방전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 가압 블록은, 각각 제1 및 제2 플레이트의 길이에 대하여 80 % 이상의 길이를 갖는 구조인 전지 셀의 충방전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 플레이트는, 각각 양측 단부에 서로 대면하는 방향으로 돌출되는 제1 및 제2 그리퍼를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 그리퍼는, 전극 리드와 접촉하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전지 셀의 충방전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제1 및 제2 그리퍼는, 전지 셀의 전극 리드와 접촉하는 표면에 양각 또는 음각의 패턴이 형성된 구조인 전지 셀의 충방전 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    제1 및 제2 플레이트는, 절연성 소재이며,
    제1 및 제2 그리퍼는, 전도성 소재인 전지 셀의 충방전 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    제1 및 제2 그리퍼는, 전지 셀의 전극 리드와 접촉하여 전류를 인가하는 전류 단자가 전기적으로 연결되는 구조인 전지 셀의 충방전 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    제1 및 제2 그리퍼는, 전지 셀의 전극 리드와 접촉하여 전압을 검출하는 전압 단자가 전기적으로 연결되는 구조인 전지 셀의 충방전 장치.
  10. 제 1 항에 따른 전지 셀의 충방전 장치를 이용한 전지 셀의 충방전 방법.
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