▶ エルジー エナジー ソリューション リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-13
(54)【発明の名称】電池セルの加圧治具およびそれを用いたガス除去方法
(51)【国際特許分類】
H01M 10/058 20100101AFI20231206BHJP
H01M 10/04 20060101ALI20231206BHJP
H01M 50/244 20210101ALI20231206BHJP
H01M 50/202 20210101ALI20231206BHJP
H01M 50/30 20210101ALI20231206BHJP
【ＦＩ】
H01M10/058
H01M10/04 Z
H01M50/244 Z
H01M50/202 501P
H01M50/30
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023530498
(86)(22)【出願日】2022-11-02
(85)【翻訳文提出日】2023-05-19
(86)【国際出願番号】 KR2022017068
(87)【国際公開番号】W WO2023080648
(87)【国際公開日】2023-05-11
(31)【優先権主張番号】10-2021-0150241
(32)【優先日】2021-11-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521065355
【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】カン、ビュン クウン
【テーマコード（参考）】
5H012
5H028
5H029
5H040
【Ｆターム（参考）】
5H012AA03
5H012JJ06
5H028AA10
5H028BB02
5H028BB04
5H029AJ14
5H029AK03
5H029AL02
5H029AL03
5H029AL06
5H029AL07
5H029AL11
5H029AL12
5H029AL16
5H029AM02
5H029AM03
5H029AM04
5H029AM07
5H029BJ04
5H029CJ03
5H029CJ12
5H040AA33
5H040AT04
5H040JJ10
(57)【要約】
本発明の電池セル加圧治具は、電池セルを間に置いて電池セルの両面を加圧する第１加圧ブロックと第２加圧ブロックとを含む電池セル加圧治具であって、上記第１加圧ブロックおよび第２加圧ブロックのそれぞれは、電池セルを加圧する加圧プレートと、上記加圧プレートを支持する支持プレートと、上記加圧プレートおよび支持プレートが相互フォールディング可能に結合されるように、これらの上端縁部分に設けられたヒンジ部材と、上記加圧プレートまたは上記支持プレートのいずれか１つの下端部に結合された弾性部材と、を含み、電池セルを下部から上部まで順次的に加圧し得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池セルを間に置いて電池セルの両面を加圧する第１加圧ブロックと第２加圧ブロックとを含む電池セル加圧治具であって、前記第１加圧ブロックおよび第２加圧ブロックのそれぞれは、
電池セルと対面接触して加圧する板状の加圧プレートと、
前記加圧プレートが電池セルを加圧するとき、加圧プレートを支持する支持プレートと、
前記加圧プレートおよび支持プレートが相互フォールディング可能に結合されるように、前記加圧プレートおよび前記支持プレートの各上端縁部分に設けられたヒンジ部材と、
前記加圧プレートまたは前記支持プレートのいずれか１つの下端部に結合されており、電池セルの加圧時に圧縮される弾性部材と、を含む、電池セル加圧治具。
【請求項2】
前記加圧プレートと前記支持プレートとが相互フォールディングされた状態で電池セルを加圧するように構成された、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項3】
前記弾性部材は、前記支持プレートの下端縁部分の上部面に結合されている、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項4】
前記弾性部材は、前記加圧プレートの下端縁部分の下部面に結合されている、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項5】
前記弾性部材は、弾性スプリングまたはメモリーフォームである、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項6】
前記弾性部材はメモリーフォームである、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項7】
前記弾性部材は、前記加圧プレートまたは支持プレートのいずれか１つに、接着物質または両面テープにより付着されている、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項8】
前記加圧プレートおよび支持プレートの各全幅長さは、電池セルの全幅長さより長い、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項9】
前記加圧プレートおよび支持プレートの各全幅長さは、電池セルの全幅長さの１１０％～２００％である、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項10】
電池セルが整列されるようにガイドするガイド部材をさらに含み、前記ガイド部材は、前記加圧プレートの下端縁と電池セル下部との間に介在される、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項11】
前記ガイド部材は、弾性スプリングまたはメモリーフォームである、請求項１０に記載の電池セル加圧治具。
【請求項12】
前記加圧プレートは、ヒーティングコイルを内蔵している、請求項１に記載の電池セル加圧治具。
【請求項13】
請求項１に記載の電池セル加圧治具を用いて電池セルを加圧する加圧過程、および電池セル内部のガスを外部に排出する排気過程を含む電池セルの脱気方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２１年１１月４日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１５０２４１号に基づく優先権の利益を主張する。
【0002】
本発明は、電池セルの加圧治具およびそれを用いて電池セル内部の残存ガスを除去する方法に関するものである。
【背景技術】
【0003】
一般的に、二次電池は、その形状に応じて円筒形、角形、パウチ型などに区分し得る。そのうちパウチ型二次電池は、金属層（ホイル）と金属層の上面と下面にコーティングされる合成樹脂層の多層膜で構成されるパウチ外装材を使用して外観を構成するため、金属缶を使用する円筒形または角形より電池の重量を著しく減らし得て電池の軽量化が可能であり、多様な形態への変化が可能であるという長所があるため、多くの関心を集めている。
【0004】
このようなパウチ型二次電池には電極組立体が積層された形態で収容され、電極組立体には電極タブおよび電極リードが連結されており、電極リードはパウチ外装材から突出されている。このような電極リードは、外部装置との接触を通じて電気的に連結され、外部装置から電力を供給されることになる。
【0005】
パウチ型二次電池は、セルを組み立てる過程と電池を活性化する過程を経て製造され、電池の活性化過程では、充放電装置に二次電池セルを搭載し、活性化に必要な条件で充電および放電を行うことになる。このように、電池の活性化のために充放電装置を用いて所定の充放電を実施する過程をフォーメーション（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）工程という。
【0006】
そして、このようなフォーメーション工程を行うとき、活性化充電中に板状の加圧プレートを含む治具（Ｚｉｇ）などの加圧手段を用いて、電池セルの両面を加圧することができ、これを治具フォーメーションとも称する。このような治具フォーメーションは、活性化工程中に負極の膨張を防止し、電池の化学反応を促進してガスの発生を誘導し、このような内部ガスをガスポケット部に移動させる。
【0007】
図１は、フォーメーション工程中に電池を加圧するための従来の加圧治具を図示しており、図２は、従来の加圧治具を用いてフォーメーション工程を行ったときの問題点を図示している。図１を参照すると、従来の加圧治具１０は、多数の加圧プレートを含み得、加圧プレート１１と他の加圧プレート１２との間に電池セルＢを介在した状態で電池セルの両面を加圧するように構成されている。このような加圧治具による加圧は２～３回繰り返して行われ得、フォーメーション工程中に発生したガスは、治具の加圧によって電池セルの上部にあるガスポケット部Ｐに移動する。そして、ガスポケット部に捕集された内部ガスをパウチの外部に排出するために、図２に図示したようにガスポケット部に穴を開けて真空を印加する脱気（Ｄｅｇａｓｓｉｎｇ）過程を経る。
【0008】
ところで、このような加圧治具による加圧および脱気過程を経たとしても、一部のガスは、負極内、負極と分離膜との間、分離膜と正極との間および正極内に残存し得る。これは電池セルを加圧する加圧プレートが扁平な形状であるので、電池セルの前面を一度に加圧して、ガスが移動しにくいためである。したがって、電池セルの内部に残存するガス量を減らすための新しい加圧手段とガス排出方法に対する技術開発が必要であるのが実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は上記のような問題点を解決するためのものであり、電池セルの加圧時に、内部のガスがガスポケット部に移動されやすい新規な構造の加圧手段およびガス除去方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る電池セル加圧治具は、電池セルを間に置いて電池セルの両面を加圧する第１加圧ブロックと第２加圧ブロックとを含む電池セル加圧治具であって、上記第１加圧ブロックおよび第２加圧ブロックのそれぞれは、電池セルと対面接触して加圧する板状の加圧プレートと、上記加圧プレートが電池セルを加圧するとき、加圧プレートを支持する支持プレートと、上記加圧プレートおよび支持プレートが相互フォールディング可能に結合されるように、上記加圧プレートおよび上記支持プレートの各上端縁部分に設けられたヒンジ部材と、上記加圧プレートまたは上記支持プレートのいずれか１つの下端部に結合されており、電池セルの加圧時に圧縮される弾性部材と、を含む。
【0011】
本発明の一実施形態に係る加圧治具は、上記加圧プレートと上記支持プレートとが相互フォールディングされた状態で電池セルを加圧するように構成される。
【0012】
本発明の一実施形態において、上記弾性部材は、上記支持プレートの下端縁部分の上部面に結合されている。
【0013】
本発明の一実施形態において、上記弾性部材は、上記加圧プレートの下端縁部分の下部面に結合されている。
【0014】
本発明の一実施形態において、上記弾性部材は、弾性スプリングまたはメモリーフォームであり得、好ましくはメモリーフォームである。
【0015】
本発明の一実施形態において、上記弾性部材は、上記加圧プレートまたは支持プレートのいずれか１つに、接着物質または両面テープにより付着されている。
【0016】
本発明の一実施形態において、上記加圧プレートおよび支持プレートの各全幅長さは、電池セルの全幅長さより長い。
【0017】
本発明の一実施形態において、上記加圧プレートおよび支持プレートの各全幅長さは、電池セルの全幅長さの１１０％～２００％である。
【0018】
本発明の一実施形態に係る電池セル加圧治具は、電池セルが整列されるようにガイドするガイド部材をさらに含み、上記ガイド部材は、上記加圧プレートの下端縁と電池セル下部との間に介在される。
【0019】
本発明の一実施形態において、上記ガイド部材は、弾性スプリングまたはメモリーフォームである。
【0020】
本発明の一実施形態において、上記加圧プレートは、ヒーティングコイルを内蔵している。
【0021】
本発明に係る電池セルの脱気方法は、上述した加圧治具を用いて電池セルを加圧する過程と、電池セル内部のガスを外部に排出する排気過程を含む。
【発明の効果】
【0022】
本発明の電池セル加圧治具は、加圧プレートを支持する支持プレートの下端縁に弾性部材が設けられ、電池セルの下部から上部方向に順次的に電池セルに圧力を加えることによって、ガスが上部のガスポケットへと方向性をもって移動しやすくなるので、ガスが電極組立体内部に閉じ込められるガストラップ（ｔｒａｐ）現象を抑制する効果がある。
【0023】
本発明の脱気方法は、上記加圧治具を用いて内部ガスをガスポケット部に移動させた後に脱気するため、電池セルの内部にガスが残存することを最小化し得る。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】従来の電池セル加圧治具の模式図である。
【図2】従来の電池セル加圧治具を用いてフォーメーション工程を行ったときの問題点を図示した概念図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る電池セル加圧治具の構造と作動状態を示す模式図である。
【図4】本発明の一実施形態に係る第１加圧ブロックの模式図である。
【図5】本発明の一実施形態に係る第１加圧ブロックの斜視図である。
【図6】本発明の加圧治具によって加圧される電池セルの模式図である。
【図7】本発明の他の実施形態に係る第１加圧ブロックの模式図である。
【図8】本発明の他の実施形態に係る電池セル加圧治具の構造と作動状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【0025】
Ｂ：電池セル
１００、２００、３００：加圧治具
１１０、２１０、３１０：第１加圧ブロック
１２０、３２０：第２加圧ブロック
１１１、１２１、２１１、３１１、３２１：加圧プレート
１１２、１２２、２１２、３１２、３２２：支持プレート
１１３、１２３、２１３、３１３、３２３：ヒンジ部材
１１４、１２４、２１４、３１４、３２４：弾性部材
３１５、３２５：ガイド部材
１：電極組立体収容部
２：ガスポケット部
３：シーリング剰余部
１００、２００、３００：加圧治具
１１０、２１０、３１０：第１加圧ブロック
１２０、３２０：第２加圧ブロック
１１１、１２１、２１１、３１１、３２１：加圧プレート
１１２、１２２、２１２、３１２、３２２：支持プレート
１１３、１２３、２１３、３１３、３２３：ヒンジ部材
１１４、１２４、２１４、３１４、３２４：弾性部材
３１５、３２５：ガイド部材
１：電極組立体収容部
２：ガスポケット部
３：シーリング剰余部
【発明を実施するための形態】
【0026】
本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な形態を有し得るので、特定の実施形態を図面に例示し、本文に詳細に説明する。しかしながら、これは本発明を特定の開示形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物または代替物を含むものとして理解されるべきである。
【0027】
本出願において、「含む」や「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものとして理解されるべきである。また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする場合、これは他の部分の「真上に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。逆に、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「下に」あるとする場合、それは他の部分の「真下に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。また、本出願において「上に」配置されるということは、上部のみならず下部に配置される場合も含むものであり得る。
【0028】
（第１実施形態に係る電池セル加圧治具）
図３は、本発明の一実施形態に係る電池セル加圧治具の構造と作動状態を示す模式図であり、上部図は加圧解除状態を、下部図は加圧印加状態を図示しており、図４は第１加圧ブロックの模式図である。
図３は、本発明の一実施形態に係る電池セル加圧治具の構造と作動状態を示す模式図であり、上部図は加圧解除状態を、下部図は加圧印加状態を図示しており、図４は第１加圧ブロックの模式図である。
【0029】
図３および図４を参照すると、本発明に係る電池セル加圧治具１００は、電池セルＢを間に置いて電池セルの両面を加圧する第１加圧ブロック１１０と第２加圧ブロック１２０とを含み、上記第１加圧ブロック１１０および第２加圧ブロック１２０のそれぞれは、電池セルと対面接触して加圧する板状の加圧プレート１１１、１２１と、上記加圧プレート１１１、１２１が電池セルＢを加圧するとき、加圧プレート１１１、１２１を支持する支持プレート１１２、１２２と、上記加圧プレートおよび支持プレートが相互フォールディング可能に結合されるように、上記加圧プレート１１１、１２１および上記支持プレート１１２、１２２の各上端縁部分に設けられたヒンジ部材１１３、１２３と、上記加圧プレート１１１、１２１または上記支持プレート１１２、１２２のいずれか１つの下端部に結合されており、電池セルＢの加圧時に圧縮される弾性部材１１４、１２４と、を含む。
【0030】
ここで、加圧プレートおよび支持プレートの上端部は、電池セルの上端部であるガスポケット部に対応される部位を指すものであり、加圧プレートおよび支持プレートの下端部は、電池セルの下端部である電極組立体が収容された部位に対応される部位を指すものである。
【0031】
このような構造の加圧治具１００は、弾性部材１１４、１２４が加圧プレート１１１、１２１または支持プレート１１２、１２２の下端部に結合されているため、加圧解除状態では、加圧プレート１１１、１２１の下端部と支持プレート１１２、１２２の下端部との間が弾性部材１１４、１２４の高さＨほど離隔されている状態である。
【0032】
一方、加圧プレート１１１、１２１と支持プレート１１２、１２２はそれぞれ、上端縁部分にヒンジ部材１１３、１２３が設けられており、ヒンジ部材によりこれら（加圧プレートおよび支持プレート）が結合されているため、加圧プレートの上端部と支持プレートの上端部との間はほとんど離隔されない状態である。
【0033】
したがって、図３に図示されたように、加圧解除状態において、上記加圧プレート１１１、１２１と支持プレート１１２、１２２との間の離隔距離は、上部から下部に沿って（ｙ軸方向）徐々に増加する構造である。そして、加圧プレート１１１、１２１と電池セルＢとの間の離隔距離は、上部から下部に沿って（ｙ軸方向）徐々に減少する構造である。
【0034】
これにより、加圧プレート１１１、１２１が電池セルＢを加圧するときに、加圧プレート１１１、１２１と相対的に距離が近い電池セルＢの下部から加圧プレート１１１、１２１と相対的に距離が遠い電池セルＢの上部に向かって順次的に電池セルＢを加圧し得るのである。
【0035】
このように本発明の電池セル加圧治具１００は、電池セルの下部から上部方向に電池セルを加圧し得るため、加圧時にガスが上部のガスポケット部に移動しやすく、これによりガストラップを効果的に防止する効果がある。
【0036】
本発明の加圧治具１００は、対を成して互いに対向する第１加圧ブロック１１０と第２加圧ブロック１２０が、これらの間に介在された電池セルＢの両面を加圧する構造である。第１加圧ブロック１１０と第２加圧ブロック１２０の構造は同一であり、これらが電池セルを加圧する部位が対向するという点において違いがあるのみである。
【0037】
第１加圧ブロック１１０と第２加圧ブロック１２０は構造が同一であるため、第１加圧ブロックを中心に加圧ブロックについて説明する。図４を参照すると、加圧ブロック１１０は、２つのプレート１１１、１１２が相互フォールディングし得るようにヒンジ部材１１３によってヒンジ結合されている。加圧プレート１１１は、電池セルＢのいずれか１つの面と直接対面して電池セルを加圧し、支持プレート１１２は、加圧プレート１１１が電池セルＢを加圧するときにその反力を吸収する。
【0038】
そして、上記加圧プレート１１１および上記支持プレート１１２の上端縁部分には、ヒンジ部材１１３が設けられている。このようなヒンジ部材１１３によって、上記加圧プレート１１１および上記支持プレート１１２は相互フォールディング可能にヒンジ結合される。そして、上記加圧プレート１１１と上記支持プレート１１２とが相互フォールディングされた状態で、第１加圧ブロック１１０と第２加圧ブロック１２０との間に位置する電池セルＢを加圧するように構成されている。
【0039】
上記加圧プレート１１１は、電池セルＢを加圧し得るように板状であり得、強固な材質で構成され得る。具体的には、加圧プレート１１１は金属素材であり得、その中でもアルミニウム素材で構成され得る。しかしながら、これに限定されるものではなく、耐熱性があり、硬いプラスチック素材で構成されることもできる。
【0040】
一方、電池セルＢを高温条件で加圧する必要がある場合は、加圧プレート１１１を加熱するために、加圧プレート１１１の内部にはヒーティングコイル（図示せず）が内蔵された形態であり得る。このような場合、加圧プレート１１１は熱伝導性に優れた素材が好ましい。
【0041】
上記支持プレート１１２は、上記加圧プレート１１１を支持する役割を果たし、その形状は加圧プレート１１１と同一に板状であり得、そのサイズは加圧プレート１１１と同一であるか、または加圧プレート１１１より少し大きいことがあり得る。上記支持プレート１１２の素材は、加圧プレート１１１が電池セルＢをうまく加圧し得るように加圧プレート１１１を支持し、加圧時の反力に耐えるのに十分な剛性を有する素材で構成され得る。このような素材としては代表的に金属素材を例示することができ、具体的にはアルミニウム素材である。しかしながら、これに限定されるものではなく、プラスチック素材で構成されることもできる。
【0042】
一つの具体例において、上記弾性部材１１４は、上記支持プレート１１２の下端縁部分の上部面に結合され得る。ここで上部面とは、支持プレート１１２の両面のうち加圧プレート１１１に向かっている一面を意味する。
【0043】
支持プレート１１２の下端の上部面に弾性部材１１４が結合されて、加圧プレート１１１が支持プレート１１２に向かってフォールディングされたとき、加圧プレート１１１の下端下部面は、上記弾性部材１１４と対面接触され得る。ここで、加圧プレート１１１の下部面とは、加圧プレート１１１の両面のうち支持プレート１１２に向かっている一面を意味する。
【0044】
このとき、力が加えられない場合、加圧プレート１１１の下端部は、支持プレート１１２の下端部から少なくとも弾性部材１１４の高さＨほど離隔された距離に位置し得る。
【0045】
このように電池セルＢを加圧しない状態で、加圧プレート１１１の下端部は支持プレート１１２の下端部との間が開いており、加圧プレート１１１の上端部は支持プレート１１２と結合されている。そのため、加圧プレート１１１は支持プレート１１２を基準にして傾いている。
【0046】
このような状態で電池セルＢを加圧することになると、弾性部材１１４は、電池セルの加圧時に発生する反力を吸収して、図３の下部図のように圧縮される。そして、弾性部材１１４が圧縮されることにより、加圧プレート１１１の下端部と支持プレート１１２の下端部との離隔距離は徐々に近くなり、支持プレート１１２を基準に傾いていた加圧プレート１１１は、徐々に支持プレート１１２と平行を成すことになる。これにより、加圧プレート１１１は、電池セルＢの下部から電池セルＢの上部まで順次的に加圧し得るのである。
【0047】
【0048】
図７を参照すると、第１加圧ブロック２１０は、電池セルと対面接触して加圧する板状の加圧プレート２１１と、上記加圧プレート２１１が電池セルを加圧するとき、加圧プレート２１１を支持する支持プレート２１２と、上記加圧プレート２１１および支持プレート２１２が相互フォールディング可能に結合されるように、上記加圧プレート２１１および上記支持プレート２１２の各上端縁部分に設けられたヒンジ部材２１３と、上記支持プレート２１２の下端部に結合されており、電池セルの加圧時に圧縮される弾性部材２１４と、を含む。
【0049】
上記弾性部材１１４、１２４は弾性スプリングまたはメモリーフォームであり得、メモリーフォームは弾性スプリングと比較して、より容易に加圧プレート１１１、２１１または支持プレート１１２、２１２との結合が可能であり、電池セルＢの加圧時に発生する反力の吸収能力に優れるという点でメモリーフォームがさらに好ましい。上記メモリーフォームは、弾性復元力に優れた素材であればその素材において制限はなく、具体的にはポリウレタン系素材であり得る。
【0050】
弾性部材１１４、２１４は、加圧プレート１１１、２１１または支持プレート１１２、２１２に接着物質または両面テープにより付着および結合され得る。
【0051】
図５は、本発明の一実施形態に係る加圧ブロック１１０の斜視図であり、図５を参照すると、弾性部材はメモリーフォームであり、バー（ｂａｒ）形状を有し、薄い幅の弾性部材が支持プレートの長手方向（Ｘ軸方向）に沿って延長されている。
【0052】
上記弾性部材の高さＨは、弾性部材の素材、弾性係数、電池セルの加圧力に応じて好適な高さに設定し得、具体的には１～３０ｍｍ、３～２０ｍｍ、５～１０ｍｍであり得るが、これに限定されるものではない。
【0053】
また、弾性部材がメモリーフォームの場合、その幅長さは、３～５０ｍｍ、５～３０ｍｍ、１５～２５ｍｍであり得、これに限定されるものではない。
【0054】
一つの具体例において、上記加圧プレートおよび支持プレートの各全幅長さＷ１は、電池セルの全幅長さＷ２より大きいことがあり得る。
【0055】
ここで全幅長さとは、図４および図５を参照すると、電池セルの全幅長さＷ２に対応するＷ１で表示される長さを意味し、電池セルの全幅長さとは、Ｗ２で表示される長さを意味し、具体的には、電極組立体が収容された領域からガスポケット部に至る方向（Ｙ軸方向）の電池セルの幅長さである。
【0056】
加圧プレート１１１および支持プレート１１２の各全幅長さＷ１が、電池セルＢの全幅長さＷ２より長くなければ、電池セルＢの前面を安定的に加圧することができない。具体例において、上記加圧プレートおよび支持プレートの各全幅長さＷ１は、電池セルの全幅長さＷ２の１１０％～２００％であり得、１１５％～１８０％であり得、１２０％～１５０％であり得る。
【0057】
本発明に係る電池セル加圧治具は、電池セルの下部から上部を順次的に加圧し得るので、図６に図示されたように、フォーメーション工程中に発生したガスや、電解液中の気泡が電極組立体収容部１からガスポケット部２に移動することが容易になり、気泡やガスが電極組立体の内部にトラップされることを抑制し得る。
【0058】
（第２実施形態に係る電池セル加圧治具）
図８は、本発明の第２実施形態に係る電池セル加圧治具の模式図である。図８を参照すると、第２実施形態に係る電池セル加圧治具３００は、電池セルを間に置いて電池セルの両面を加圧する第１加圧ブロック３１０と第２加圧ブロック３２０と、を含む。
図８は、本発明の第２実施形態に係る電池セル加圧治具の模式図である。図８を参照すると、第２実施形態に係る電池セル加圧治具３００は、電池セルを間に置いて電池セルの両面を加圧する第１加圧ブロック３１０と第２加圧ブロック３２０と、を含む。
【0059】
上記第１加圧ブロック３１０および第２加圧ブロック３２０のそれぞれは、電池セルＢと対面接触して加圧する板状の加圧プレート３１１、３２１と、上記加圧プレート３１１、３２１が電池セルを加圧するとき、加圧プレート３１１、３２１を支持する支持プレート３１２、３２２と、上記加圧プレート３１１、３２１および支持プレート３１２、３２２が相互フォールディング可能に結合されるように、上記加圧プレート３１１、３２１および上記支持プレート３１２、３２２の各上端縁部分に設けられたヒンジ部材３１３、３２３と、上記加圧プレート３１１、３２１または上記支持プレート３１２、３２２のいずれか１つの下端部に結合されており、電池セルＢの加圧時に圧縮される弾性部材３１４、３２４と、電池セルＢが整列されるようにガイドするガイド部材３１５、３２５と、を含む。
【0060】
上記ガイド部材３１５、３２５は、上記加圧プレート３１１、３２１の下端縁と電池セルの下端部との間に介在されている。
【0061】
図８を参照すると、ガイド部材３１５、３２５は、加圧プレート３１１、３２１を間に置いて弾性部材３１４、３２４と対向することになる。すなわち、弾性部材３１４、３２４とガイド部材３１５、３２５は、加圧プレート３１１、３２１を間に置いて対向し得る構造である。
【0062】
上記ガイド部材３１５、３２５は、上記弾性部材３１４、３２４と同様に、弾性スプリングまたはメモリーフォームであり得、好ましくはメモリーフォームである。メモリーフォームは弾性スプリングと比較して、より容易に加圧プレート３１１、３２１との結合が可能であり、電池セルの加圧時に発生する反力の吸収能力に優れるという点でメモリーフォームがさらに好ましい。上記メモリーフォームは、弾性復元力に優れた素材であればその素材において制限はなく、具体的にはポリウレタン系素材であり得る。
【0063】
上記ガイド部材３１５、３２５は、加圧プレート３１１、３２１の下端縁の上部面に結合されることもでき、加圧プレート３１１、３２１の下端縁と電池セルＢの下端部との間に単純に介在され得る。このときガイド部材３１５、３２５は、電池セル下部のシーリング剰余部３に密着されるように加圧プレート３１１、３２１と電池セルＢとの間に介在される。
【0064】
本発明の加圧治具３００は、第１加圧ブロック３１０と第２加圧ブロック３２０との間に電池セルＢを介在した状態で電池セルＢを加圧し、電池セルＢの下部にはシーリング剰余部３が存在する。このようなシーリング剰余部３は、二重のパウチシートがシーリングされた部位であり、電極組立体が収容された部分と比較して厚さが薄いため、電極組立体収容部とシーリング剰余部との境界には段差が発生する。
【0065】
電池セルを加圧するために、第１加圧ブロック３１０と第２加圧ブロック３２０との間に電池セルＢを投入したとき、ガイド部材３１５、３２５は、段差がある電池セルＢの電極組立体収容部をガイド部材３１５、３２５の下にそれ以上下がらないようにして、電池セルＢが定位置に位置するようにガイドする役割を果たす。
【0066】
また、ガイド部材３１５、３２５は、電池セルの加圧時にシーリング剰余部とその周辺を緩衝する効果も有している。加圧プレート３１１、３２１が電池セルＢを加圧することにより、内部ガスの大部分は電池セル上部のガスポケット部に向かって移動するが、内部ガスの一部は下部のシーリング剰余部３に移動することもできる。
【0067】
一方、シーリング剰余部３は、二重のパウチシートが溶融接着されてシーリングされた部位であり、シーリング剰余部３の内部には微細な空隙が存在し得、上記微細な空隙に突然ガスが流入されると、シーリング剰余部３が流入されるガスの圧力に勝てず、シーリング剰余部３のパウチが一部破損されるおそれがある。しかしながら、ガイド部材３１５、３２５がシーリング剰余部３に密着されていると、電池セルの加圧によって内部ガスの一部がシーリング剰余部３に流入されようとしても、ガイド部材３１５、３２５がシーリング剰余部３に外力を加えるため、内部ガスがシーリング剰余部３に流入されにくくなり、電極組立体収容部に移動し得るようになる。したがって、シーリング剰余部３の内部への急なガスの流入によるパウチ損傷を防止し得るのである。そして、このようなガイド部材が圧縮されながら発生する圧縮応力により、シーリング剰余部３の周辺に残存し得るガスも上部に移動し得るため、本発明の効果をさらに極大化させることができる。
【0068】
第２実施形態に係る電池セル加圧治具は、ガイド部材をさらに含む点で第１実施形態と違いがあるだけで、残りの技術内容は同じであるので、これ以上の詳しい説明は省略する。
【0069】
＜電池セルの脱気方法＞
また、本発明は、このような加圧治具を用いて、電池セルの下部から上部に向かって電池セルを順次的に加圧し得る脱気方法を提供する。
また、本発明は、このような加圧治具を用いて、電池セルの下部から上部に向かって電池セルを順次的に加圧し得る脱気方法を提供する。
【0070】
本発明の加圧治具および脱気方法が適用される電池セルは、正極／分離膜／負極構造の電極組立体を電池ケースに収容した後、電解液を注入し、密封して製造される。
【0071】
具体的には、電極活物質およびバインダーを含む電極合剤を電極集電体に塗布してそれぞれ正極および負極を製造した後、上記正極と負極との間に分離膜を介在して電極組立体を準備する。
【0072】
このように準備された電極組立体を電池ケースに収容した後、電解質を注入し、電池ケースを密封して電池を組み立てる。
【0073】
このような電池を組み立てる段階は特に制限されず、公知された方法に従って行い得る。
【0074】
また、上記電極組立体は、正極、負極、および上記正極と負極との間に介在された分離膜を含む構造であれば特に制限されず、例えば、ジェリーロール型、スタック型またはスタック／フォールディング型などになり得る。
【0075】
このとき、上記電池ケースは、電池を包装するための外装材として使用されるものであれば特に制限されず、円筒形、角形またはパウチ型が使用され得るが、詳細にはパウチ型電池ケースが使用され得る。パウチ型電池ケースは、通常的にアルミニウムラミネートシートからなり、密封のための内部シーラント層、物質の浸透を防止する金属層およびケースの最外郭を成す外部樹脂層で構成され得る。電池セルは、パウチ型電池ケースの内部に電極組立体が収容された後に電極リードが引出された状態で上部ケースおよび下部ケースを熱融着シーリングすることにより製造されるため、電池ケースの端部に熱融着シーリング部が形成され得る。以下、電池ケースについての具体的な内容は、通常の技術者に公知された事項であるので、詳しい説明を省略する。
【0076】
上記正極は、正極集電体、および上記正極集電体上に正極合剤スラリーを塗布、乾燥およびプレッシングして製造される正極活物質層を含む。正極合剤は、正極活物質およびバインダーを含み、必要に応じて正極添加剤、導電材および充填剤をさらに含み得る。
【0077】
上記正極活物質は、リチウムの可逆的なインターカレーションおよびデインターカレーションが可能な化合物であって、具体的には、コバルト、マンガン、ニッケルまたはアルミニウムなどの１種以上の金属とリチウムを含むリチウム複合金属酸化物を含み得る。より具体的には、上記リチウム複合金属酸化物は、リチウム－マンガン系酸化物（例えば、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４など）、リチウム－コバルト系酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ２など）、リチウム－ニッケル系酸化物（例えば、ＬｉＮｉＯ２など）、リチウム－ニッケル－マンガン系酸化物（例えば、ＬｉＮｉ１－ＹＭｎＹＯ２（ここでは、０＜Ｙ＜１）、ＬｉＭｎ２－ＺＮｉＺＯ４（ここでは、０＜Ｚ＜２）など）、リチウム－ニッケル－コバルト系酸化物（例えば、ＬｉＮｉ１－Ｙ１ＣｏＹ１Ｏ２（ここでは、０＜Ｙ１＜１）など）、リチウム－マンガン－コバルト系酸化物（例えば、ＬｉＣｏ１－Ｙ２ＭｎＹ２Ｏ２（ここでは、０＜Ｙ２＜１）、ＬｉＭｎ２－Ｚ１ＣｏＺ１Ｏ４（ここでは、０＜Ｚ１＜２）など）、リチウム－ニッケル－マンガン－コバルト系酸化物（例えば、Ｌｉ（ＮｉｐＣｏｑＭｎｒ１）Ｏ２（ここでは、０＜ｐ＜１、０＜ｑ＜１、０＜ｒ１＜１、ｐ＋ｑ＋ｒ１＝１）またはＬｉ（Ｎｉｐ１Ｃｏｑ１Ｍｎｒ２）Ｏ４（ここでは、０＜ｐ１＜２、０＜ｑ１＜２、０＜ｒ２＜２、ｐ１＋ｑ１＋ｒ２＝２）など）、またはリチウム－ニッケル－コバルト－遷移金属（Ｍ）酸化物（例えば、Ｌｉ（Ｎｉｐ２Ｃｏｑ２Ｍｎｒ３Ｍｓ２）Ｏ２）（ここで、ＭはＡｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔａ、ＭｇおよびＭｏからなる群から選択され、ｐ２、ｑ２、ｒ３およびｓ２はそれぞれ独立的な元素の原子分率であって、０＜ｐ２＜１、０＜ｑ２＜１、０＜ｒ３＜１、０＜ｓ２＜１、ｐ２＋ｑ２＋ｒ３＋ｓ２＝１である）など）などが挙げられ、これらのうちいずれか１つまたは２つ以上の化合物が含まれ得る。その中でも電池の容量特性および安定性を高め得るという点で、上記リチウム複合金属酸化物は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＮｉＯ２、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（例えば、Ｌｉ（Ｎｉ０．６Ｍｎ０．２Ｃｏ０．２）Ｏ２）、Ｌｉ（Ｎｉ０．５Ｍｎ０．３Ｃｏ０．２）Ｏ２、またはＬｉ（Ｎｉ０．８Ｍｎ０．１Ｃｏ０．１）Ｏ２など）、またはリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（例えば、Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２など）などであり得、リチウム複合金属酸化物を形成する構成元素の種類および含量比の制御による改善効果の顕著さを考慮するとき、上記リチウム複合金属酸化物はＬｉ（Ｎｉ０．６Ｍｎ０．２Ｃｏ０．２）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ０．５Ｍｎ０．３Ｃｏ０．２）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ０．７Ｍｎ０．１５Ｃｏ０．１５）Ｏ２、またはＬｉ（Ｎｉ０．８Ｍｎ０．１Ｃｏ０．１）Ｏ２などであり得、これらのうちいずれか１つまたは２つ以上の混合物が使用され得る。
【0078】
また、上記正極活物質の含有量は、正極合剤１００重量部に対して、８５～９９重量部であり得、具体的には８８～９８重量部、９０～９７重量部、９２～９５重量部であり得る。
【0079】
上記導電材は、正極の電気伝導性などの性能を向上させるために使用され得、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックおよび炭素繊維からなる群から選択される１種以上を使用し得る。例えば、上記導電材はアセチレンブラックを含み得る。
【0080】
また、上記導電材は、合剤層１００重量部に対して１～１０重量部で含み得、具体的には２～８重量部、または導電材２～６重量部で含み得る。
【0081】
また、上記バインダーはポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶＤＦ－ｃｏ－ＨＦＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ）、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）およびこれらの共重合体からなる群から選択される１種以上の樹脂を含み得る。一例として、上記バインダーはポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ）を含み得る。
【0082】
また、上記バインダーは、合剤全体１００重量部に対して、１～１０重量部で含み得、具体的には１～８重量部、または１～６重量部で含み得る。
【0083】
それと併せて、上記合剤層の平均厚さは特に制限されるものではないが、具体的には５０μｍ～３００μｍであり得、より具体的には１００μｍ～２００μｍ、８０μｍ～１５０μｍ、１２０μｍ～１７０μｍ、１５０μｍ～３００μｍ、２００μｍ～３００μｍ、または１５０μｍ～１９０μｍであり得る。
【0084】
また、上記正極は集電体として当該電池に化学的変化を誘発せずに高い導電性を有するものを使用し得る。例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素などを使用し得、アルミニウムやステンレススチールの場合、カーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理されたものを使用することもできる。また、上記集電体は表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態が可能である。また、上記集電体の平均厚さは、製造される正極の導電性と総厚さを考慮して３～５００μｍで好適に適用され得る。
【0085】
また、本発明で使用されるリチウム二次電池の負極は、負極集電体上に負極活物質を塗布、乾燥およびプレッシングして製造され、必要に応じて正極と同様の導電材、有機バインダー高分子、添加剤などが選択的にさらに含まれ得る。
【0086】
また、上記負極活物質は、例えば、天然黒鉛のように層状結晶構造が完全に成されたグラファイト、低結晶性層状結晶構造（ｇｒａｐｈｅｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；炭素の六角形のハニカム模様の平面が層状に配列された構造）を有するソフトカーボン、およびこれらの構造が非結晶性部分と混合されているハードカーボン、人造黒鉛、膨張黒鉛、炭素繊維、難黒鉛化炭素、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭などの炭素および黒鉛素材や、ＬｉｘＦｅ２Ｏ３（０≦ｘ≦１）、ＬｉｘＷＯ２（０≦ｘ≦１）、ＳｎｘＭｅ１－ｘＭｅ'ｙＯｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｍｅ'、Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン、０＜ｘ≦１、１≦ｙ≦３、１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物、リチウム金属、リチウム合金、ケイ素系合金、錫系合金、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ４、およびＢｉ２Ｏ５などの金属酸化物、ポリアセチレンなどの導電性高分子、Ｌｉ－Ｃｏ－Ｎｉ系材料、酸化チタン、リチウムチタン酸化物などを使用し得る。
【0087】
一例として、上記負極活物質は、黒鉛とケイ素（Ｓｉ）含有粒子を共に含み得、上記黒鉛としては、層状結晶構造を有する天然黒鉛と等方形構造を有する人造黒鉛のうちいずれか１つ以上を含み得、上記ケイ素（Ｓｉ）含有粒子は、金属成分としてケイ素（Ｓｉ）を主成分として含む粒子であって、ケイ素（Ｓｉ）粒子、ＳｉＯ粒子、ＳｉＯ２粒子、またはこれらの粒子のうち１つ以上の粒子が混合されたものを含み得る。
【0088】
この場合、上記負極活物質は全体１００重量部に対して黒鉛８０～９５重量部、およびケイ素（Ｓｉ）含有粒子１～２０重量部で含み得る。本発明は、負極活物質に含まれた黒鉛とケイ素（Ｓｉ）含有粒子の含有量を上記のような範囲に調節することにより、電池の初期充放電時のリチウム消耗量と非可逆容量の損失を減らしながら単位質量当たりの充電容量を向上させることができる。
【0089】
また、上記負極合剤層は、１００μｍ～２００μｍの平均厚さを有し得、具体的には、１００μｍ～１８０μｍ、１００μｍ～１５０μｍ、１２０μｍ～２００μｍ、１４０μｍ～２００μｍ、または１４０μｍ～１６０μｍの平均厚さを有し得る。
【0090】
また、上記負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発せずに高い導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、ニッケル、チタン、焼成炭素などを使用し得、銅やステンレススチールの場合、カーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理されたものを使用することもできる。また、上記負極集電体は、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質との結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態が可能である。また、上記負極集電体の平均厚さは、製造される負極の導電性と総厚さを考慮して３～５００μｍで好適に適用され得る。
【0091】
また、上記分離膜は正極と負極との間に介在され、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用される。分離膜は、当業界で通常的に使用されるものであれば特に制限されないが、具体的には、耐化学性および疎水性のポリプロピレン、ガラス繊維、またはポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが使用され得、場合によっては、上記シートや不織布のような多孔性高分子基材に無機物粒子／有機物粒子が有機バインダー高分子によりコーティングされた複合分離膜が使用されることもできる。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。また、上記分離膜の気孔直径は平均０．０１～１０μｍであり、厚さは平均５～３００μｍであり得る。
【0092】
上記電解質は有機溶媒、リチウム塩および添加剤を含み得る。
【0093】
上記有機溶媒は、電池の充放電過程で酸化反応などによる分解が最小化され得るものであれば制限がなく、例えば環状カーボネート、線状カーボネート、エステル、エーテルまたはケトンなどであり得る。これらは単独で使用され得、２種以上が混用されて使用され得る。
【0094】
上記有機溶媒のうち特にカーボネート系有機溶媒が好ましく使用され得、環状カーボネートとしてはエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）およびブチレンカーボネート（ＢＣ）が挙げられ、線状カーボネートとしてはジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）およびエチルプロピルカーボネート（ＥＰＣ）が代表的である。
【0095】
上記リチウム塩は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＡｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳＯ３ＣＦ３およびＬｉＣｌＯ４などのリチウム二次電池の電解液に通常的に使用されるリチウム塩が制限なく使用され得、これらは単独で使用され得、２種以上が混用されて使用され得る。
【0096】
また、上記電解液には添加剤がさらに含まれ、例えば、上記添加剤としてはＳＥＩ膜を安定的に形成するために、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、環状サルファイト、飽和スルトン、不飽和スルトン、非環状スルホン、リチウムオキサリルジフルオロボレート（ＬｉＯＤＦＢ）、およびこれらの誘導体からなる群から選択されるいずれか１つまたはこれらのうち２種以上の混合物が使用され得るが、これに限定されない。
【0097】
本発明に係る電池セルの脱気方法は、上述した電池セル加圧治具を用いて電池セルを加圧する過程および電池セル内部のガスを外部に排出する過程を含む。
【0098】
上記電池セルを加圧する過程は１回行うこともできるが、これを２～５回繰り返すこともできる。本発明に係る加圧方法は、上述した加圧治具を用いるため、電池セルを加圧することにおいて、電池セルの下部からガスポケット部が位置する上部方向に順次的に加圧し得、これによりフォーメーション工程中に発生するガスが、下部からガスポケット部が位置する上部方向に方向性をもって移動し得る。
【0099】
そして、後続するガス排出過程を通じて電池セル内部のガスを排出する。このようなガス排出過程は、本願発明の出願時点に公知された多様な技術が採用され得る。例えば、一側が長く延長形成されたパウチ型二次電池において、延長形成された部分を切開し、切開された部分をシーリングする方式で脱気過程が行われ得るか、またはガスポケット部に貫通口を形成し、真空雰囲気から内部ガスを外部に排出することもできる。ただし、このような脱気技術については当業者に広く知られているので、より詳細な説明を省略する。
【0100】
以上では、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者または当該技術分野に通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および技術領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更させることができることを理解し得るだろう。
【0101】
したがって、本発明の技術的範囲は、明細書の発明の概要に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定められるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】