KR-20260060846-A - secondary battery, secondary battery manufacturing apparatus and method

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Abstract

본 개시의 다양한 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체가 수용되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방부와 대응되는 형상의 바디부 및 상기 바디부의 둘레를 따라 상측으로 돌출되는 엣지부를 포함하며, 상기 개방부에 결합되는 캡 플레이트; 및 상기 전지 캔과 상기 엣지부 사이에 배치되는 실링 가스켓을 포함하고, 상기 전지 캔은 상단부의 적어도 일부 구간이 상기 엣지부를 감싸도록 결합되는 크림핑부를 포함할 수 있다.

Inventors

문학봉
변재규
정문형
최승원

Assignees

에스케이온 주식회사

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20241025

Claims (20)

전극 조립체가 수용되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방부와 대응되는 형상의 바디부 및 상기 바디부의 둘레를 따라 상측으로 돌출되는 엣지부를 포함하며, 상기 개방부에 결합되는 캡 플레이트; 및 상기 전지 캔과 상기 엣지부 사이에 배치되는 실링 가스켓을 포함하고, 상기 전지 캔은 상단부의 적어도 일부 구간이 상기 엣지부를 감싸도록 결합되는 크림핑부를 포함하는 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 크림핑부는 상기 엣지부의 반경 방향 내측을 감싸는 개방단부 및 상기 엣지부의 상측을 감싸는 절곡부를 포함하고, 상기 개방단부는 상기 엣지부와 평행하게 배치되는 이차전지.
제2항에 있어서, 상기 개방단부와 상기 바디부가 서로 이격되어 절연 간격을 형성하는 이차전지.
제2항에 있어서, 상기 실링 가스켓은 상기 엣지부의 반경 방향 내측면에 밀착되는 내측부, 상기 엣지부의 반경 방향 외측면에 밀착되는 외측부 및 상기 내측부와 상기 외측부를 연결하며 상기 엣지부의 상단면에 밀착되는 이음부를 포함하는 이차전지.
제4항에 있어서, 상기 실링 가스켓은 상기 내측부로부터 연장되고, 상기 개방단부와 상기 바디부 사이에 형성되는절연 간격의 적어도 일부 영역을 커버하도록 배치되는 연장부를 포함하는 이차전지.
제5항에 있어서, 상기 개방단부는 일측 모서리가 테이퍼지게 형성되는 테이퍼 구간을 포함하고, 상기 연장부는 상기 개방단부의 상기 테이퍼 구간을 제외한 영역을 커버하도록 배치되는 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 캡 플레이트는 상기 엣지부의 반경 방향 내측에 형성되는 금형 배치 공간을 포함하는 이차 전지.
제7항에 있어서, 상기 캡 플레이트는 상기 바디부의 일측에서 축방향으로 돌출되는 단자부를 포함하고, 상기 금형 배치 공간은 상기 엣지부 및 상기 단자부 사이에 배치되는 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 캡 플레이트는 상기 바디부가 상기 전극 조립체의 상단에 안착되는 이차전지.
제9항에 있어서, 상기 바디부는 상기 전극 조립체의 무지부와 직접 전기적으로 연결되는 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 전지 캔은 상기 전극 조립체를 수용하는 공간을 형성하는 측벽 및 하벽을 포함하고, 상기 측벽은 상기 하벽과 상기 크림핑부를 연결하는 수직부를 포함하고, 상기 수직부의 전체 구간은 상기 전지 캔의 축방향과 나란하게 형성되는 이차전지.
전지 캔의 측벽을 절곡하여 크림핑부를 형성하는 이차전지 제조장치에 있어서, 상기 측벽의 개방단부에 축방향 하측을 향하는 1차 가압력을 제공하는 제1 금형; 및 상기 제1 금형에 의해 절곡된 상기 개방단부에 반경 방향 외측을 향하는 2차 가압력을 제공하는 제2 금형을 포함하는 이차전지 제조장치.
제12항에 있어서, 상기 제1 금형은 회전 가능하도록 구비되는 제1 본체 및 상기 제1 본체의 하면으로부터 상측으로 오목하게 형성되는 성형면을 포함하고, 상기 성형면은 상기 개방단부가 슬라이딩되며 하측으로 절곡되도록 하는 방향 전환부를 포함하는 이차전지 제조장치.
제13항에 있어서, 상기 방향 전화부의 반경 방향 길이는 상기 크림핑부의 반경 방향 폭과 동일한 이차전지 제조장치.
제12항에 있어서, 상기 캡 플레이트는 상기 개방부와 대응되는 형상의 바디부 및 상기 바디부의 둘레를 따라 상측으로 돌출되는 엣지부를 포함하며, 상기 제2 금형은 상기 개방단부를 상기 엣지부를 향해 가압하는 이차전지 제조장치.
제15항에 있어서, 상기 제2 금형은 상기 개방단부의 적어도 일부가 상기 엣지부와 평행하게 배치되도록 상기 개방단부를 가압하는 이차전지 제조장치.
제15항에 있어서, 상기 개방단부는 상기 바디부와 소정 간격 이격되게 절곡되는 이차전지 제조장치.
제15항에 있어서, 상기 캡 플레이트는 상기 바디부의 일측에서 축방향 상측으로 돌출되는 단자부를 포함하고, 상기 제2 금형은 상기 엣지부와 상기 단자부 사이에 형성되는 금형 배치 공간에 배치되어 상기 개방단부를 가압하는 이차전지 제조장치.
전지 캔의 측벽의 내측에 실링 가스켓 및 캡 플레이트를 순차적으로 배치하는 초기 배치 단계; 제1 금형을 이용하여 상기 측벽의 개방단부에 대해 축방향 하측을 향하는 1차 가압력을 제공하는 1차 크림핑 단계; 및 상기 1차 크림핑 단계를 통해 상기 전지 캔의 내부에 배치되는 전극 조립체를 향하는 방향으로 절곡된 상기 개방단부에 대해 반경 방향 외측을 향하는 2차 가압력을 제공하는 2차 크림핑 단계를 포함하는 이차전지 제조방법.
제19항에 있어서, 상기 캡 플레이트는 상기 전지 캔의 개방부와 대응되는 형상의 바디부 및 상기 바디부의 둘레를 따라 상측으로 돌출되는 엣지부를 포함하고, 상기 2차 크림핑 단계에서, 상기 개방단부는 상기 실링 가스켓이 개재된 상태에서 상기 엣지부를 감싸도록 가압되는 이차전지 제조방법.

Description

이차전지, 이차전지 제조장치 및 방법{secondary battery, secondary battery manufacturing apparatus and method} 본 개시는, 이차전지, 이차전지 제조장치 및 방법에 관한 것이다. 다양한 형태의 이차전지들이 전기 차량들이나 전자 기계들에서 에너지 소스로 이용된다. 이차 전지 들은 음극판, 양극판, 분리막들이 함께 권취되는 젤리-롤(jelly-roll) 형태의 전극 조립체가 사용되며, 또는 음극판, 양극판 및 분리막을 적절한 순서로 적층하여(stacking) 제작하는 방식의 전극 조립체가 사용되기도 한다. 이러한 전극 조립체는 전지 하우징의 내부에 수용되어 음극 단자, 양극 단자에 연결되고, 하우징의 내부는 전해액으로 채워진 상태에서 밀봉된다. 도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이차전지를 간략하게 도시한 단면도이다. 도 2 및 도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에서 도 1의 A 부분을 확대한 확대 단면도이다. 도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다. 도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이차전지 제조장치를 이용한 크림핑 공정의 준비 단계를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6 및 도 7은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 제1 금형을 이용한 크림핑 공정을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8 및 도 9는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 제2 금형을 이용한 크림핑 공정을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 10은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이차전지 제조방법의 순서도이다. 본 개시의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시를 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 개시의 일부 실시 예를 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 개시의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 개시를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 개시 내용을 설명하고 주장하기 위해 이용되는 경우 "포함(comprise, include)", “구성(consist of)”, “구비(have)”와 같은 표현들은 비 배타적인 방식으로 해석되어야 하며, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본 개시의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결' 또는 '결합'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결' 또는 '결합'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. "하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 개시의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 개시의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 개시를 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다. 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 개시의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 개시의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 다양한 실시예 따른 이차전지(100)에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 개시에서 설명하는 이차전지(100)는, 전지에 저장된 물질들의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있으며, 복수 회 충/방전이 가능한 임의의 유형의 통상적인 배터리 전지일 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예를 설명함에 있어서, 축방향은 전지 캔(120)의 중심축(예: 도 5의 C)이 연장되는 방향을 의미할 수 있고, 반경 방향은 상술한 중심축에서 가까워지거나 멀어지는 방향을 의미할 수 있다. 또한 젤리롤 형태의 전극 조립체(110)는 전지 캔(120)에 대해 동축상에 배치되므로, 축방향은 전극 조립체(110)가 권취되는 중심축과 나란한 방향을 의미할 수도 있다. 도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이차전지(100)를 간략하게 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이차전지(100)는, 전극 조립체(110), 전지 캔(120), 캡 플레이트(130) 및 실링 가스켓(140)을 포함할 수 있다. 또한 이차 전지는, 하부 집전판(150), 전극 단자(160) 및 인슐레이터(170)를 더 포함할 수 있다. 먼저 전극 조립체(110)는 제1 전극(111), 제2 전극(112) 및 분리막(113)을 포함할 수 있다. 제1 전극(111) 및 제2 전극(112)은 각각 집전체 및 집전체 상에 활성 물질이 코팅된 코팅층을 포함할 수 있다. 제1 전극(111)은 양극 또는 음극 중 어느 하나 일 수 있다. 예시적으로 제1 전극(111)은 음극일 수 있다. 예시적인 실시예에서 제1 전극(111)은 금속 포일(foil) 형태의 음극 집전체와 그 위에 음극 활성 물질이 코팅되는 음극 코팅층(111a)을 포함할 수 있다. 예를 들어 음극 집전체는 구리 또는 니켈을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서 음극 코팅층(111a)은 전기 전도성 코팅일 수 있으며, 음극 활성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 음극 활성 물질은, 실리콘 재료(예: 금속 실리콘 및 이산화규소), 탄소계 재료(예: 그라파이트 재료들, 그래핀-함유 재료들, 경질 탄소, 연질 탄소, 탄소 나노 튜브들, 다공성 탄소, 전도성 탄소), 주석계 재료 또는 금속 산화물 등이 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 당 업계 통상의 기술자에 공지된 어떠한 음극 활성 물질도 사용될 수 있다. 음극 집전체는 음극 코팅층(111a)이 형성되지 않은 음극 무지부(111b)를 포함할 수 있다. 음극 무지부(111b)는 음극탭으로 기능할 수 있다. 음극 무지부(111b)는 전극 조립체(110)의 축방향 일측으로 노출될 수 있다. 예를 들어 음극 무지부(111b)는 전극 조립체(110)로부터 캡 플레이트(130)를 향해 돌출될 수 있다. 음극 무지부(111b)는 후술하는 캡 플레이트(130)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 음극 무지부(111b)는 레이저 용접 등의 방법으로 캡 플레이트(130)와 직접 결합될 수 있다. 본 개시에서는 전지 캔(120)에 비딩부를 삭제할 수 있고, 이에 더해 음극 무지부(111b)를 캡 플레이트(130)와 직접 결합함으로써 전지 캔(120) 내부의 체적을 증가시켜 에너지 밀도를 더욱 증가시킬 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니고, 음극 무지부(111b)는 별도의 집전판을 통해 캡 플레이트(130)와 연결될 수도 있다. 제2 전극(112)은 양극 또는 음극 중 어느 하나 일 수 있다. 제1 전극(111)이 음극인 경우 제2 전극(112)은 양극일 수 있고, 제1 전극(111)이 양극인 경우 제2 전극(112)은 음극일 수 있다. 예시적으로 제2 전극(112)은 양극일 수 있다. 제2 전극(112)은 금속 포일(foil) 형태의 양극 집전체와 그 위에 양극 활성 물질이 코팅되는 양극 코팅층(112a)을 포함할 수 있다. 예를 들어 양극 집전체는 알루미늄을 포함할 수 있다. 양극 코팅층(112a)은 전기 전도성 코팅일 수 있으며, 양극 활성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 양극 활성 물질은, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬 망간 산화물(LMO), 리튬인산철(LFP), 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 티탄산염(LTO), 또는 칼 코게 나이드(chalcogenides)(LiTiS2) 화합물 등이 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 당 업계 통상의 기술자에 공지된 어떠한 양극 활성 물질도 사용될 수 있다. 양극 집전체는 양극 코팅층(112a)이 형성되지 않은 양극 무지부(112b)를 포함할 수 있다. 예를 들어 양극 무지부(112b)는 양극탭으로 기능할 수 있다. 양극 무지부(112b)는 전극 조립체(110)의 축방향 일측으로 노출될 수 있다. 예를 들어 양극 무지부(112b)는 전극 조립체(110)로부터 캡 플레이트(130)와 반대 방향으로 돌출될 수 있다. 양극 무지부(112b)는 후술하는 전극 단자(160)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 양극 무지부(112b)는 집전판을 통해 전극 단자(160)와 연결될 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니고, 음극 무지부(111b)는 용접 등의 방법으로 전극 단자(160)와 직접 결합될 수도 있다. 분리막(11