JP2013544429A - バッテリセルの製造装置 - Google Patents
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Abstract
２以上の単位セルを備えるバッテリセルを製造するように構成されたバッテリセル製造装置がここに記載されている。バッテリセル製造装置は、単位セルスタッキングユニットであって、該単位セルスタッキングユニットの中に複数の単位セルが上方から導入されて、前記単位セルスタッキングユニット内において前記複数の単位セルが順次積み重ねられる、単位セルスタッキングユニットと、前記単位セルスタッキングユニットから送り出された単位セルスタックの表面を分離フィルムで包むラッピングユニットと、前記単位セルスタックの前記表面を包む前記分離フィルムを熱収縮させる加熱ユニットと、を備える。
Description
本発明は、バッテリセル製造装置に関するものであり、より具体的には、複数の単位セルを具備するバッテリセルを製造するように構成されたバッテリセル製造装置であって、単位セルスタッキングユニットであって、該単位セルスタッキングユニットの中に複数の単位セルが上方から導入されて、前記単位セルスタッキングユニット内において前記複数の単位セルが順次積み重ねられる、単位セルスタッキングユニットと、前記単位セルスタッキングユニットから送り出された前記単位セルのスタックの表面を分離フィルムで包むラッピングユニットと、前記単位セルのスタックの前記表面を包む前記分離フィルムを熱収縮させる加熱ユニットと、を備えるバッテリセル製造装置に関するものである。
近年、充放電可能な二次バッテリが、無線携帯機器用のエネルギー源として幅広く使用されている。また、二次バッテリは、化石燃料を使用する従来のガソリン車やディーゼル車が原因である大気汚染等の問題を解決するために開発された電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、及びプラグイン・ハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ-ｉｎ Ｈｅｖ）のための電源として大きな注目を集めている。
二次バッテリは一般に、その外部構造及び内部構造に基づいて、円筒形バッテリ、プリズムバッテリ、及びパウチ形バッテリに分類される。特に、集積度で重ね合わせられると共に長さに対する幅の比率が小さいプリズムバッテリ及びパウチ形バッテリは、かなりの注目を集めている。
二次バッテリを構成する、カソード／セパレータ／アノード構造を有する電極アセンブリは、電極アセンブリの構造に基づいて、一般に、ジェリー・ロール（巻き）型電極アセンブリ、又はスタック型電極アセンブリに分類することができる。ジェリー・ロール型電極アセンブリは、電極活物質と共に集電体として使用されるための金属箔をコーティングし、コーティングされた金属箔を乾燥させると共に加圧し、乾燥して加圧された金属箔を、所定の幅及び長さの帯の形に切り、セパレータを使用してアノード及びカソードを互いに絶縁させ、カソード／セパレータ／アノード構造体を螺旋状に巻くことによって製造される。ジェリー・ロール型電極アセンブリは円筒形バッテリに適している。しかしながら、ジェリー・ロール型電極アセンブリはプリズムバッテリやパウチ形バッテリには適していない。なぜならば、応力がバッテリに局所的に集中するので電極活物質が分離したり、バッテリの充放電中に生じるバッテリの繰り返し伸縮に起因してバッテリが変形する可能性があったりするからである。
一方、スタック型電極アセンブリは、複数のユニットカソードと複数のユニットアノードが順次重ね合された構造となるように構成されている。スタック型電極アセンブリには、スタック型電極アセンブリがプリズム構造となるように構成することができるという利点がある。しかしながら、スタック型電極アセンブリには、スタック型電極アセンブリを製造するプロセスが複雑であり、且つ、スタック型電極アセンブリが外から衝撃を受けた時にスタック型電極アセンブリの電極が押されて、その結果、スタック型電極アセンブリ内で短絡が生じる可能性があるという欠点がある。
上記した問題を解決するため、ジェリー・ロール型電極アセンブリとスタック型電極アセンブリとを組み合わせた改良型電極アセンブリ、すなわち、所定のユニットサイズのカソード／セパレータ／アノード構造を有する複数のフルセル（full cells）又は所定のユニットサイズのカソード（アノード）／セパレータ／アノード（カソード）／セパレータ／カソード（アノード）構造を有する複数のバイセル（bicells）が長く連続的なセパレータシートを使用して折り畳まれた構造となるように構成されたスタック折り畳み型電極アセンブリが開発されている。スタック折り畳み型電極アセンブリの例は、本特許出願の出願人の名のもとで出願された韓国特許出願公開第２００１‐８２０５８号明細書、同第２００１‐８２０５９号明細書、及び同第２００１‐８２０６０号明細書に開示されている。
しかしながら、スタック折り畳み型電極アセンブリでは、複数の単位セルが、長く連続的なセパレータシートの上に配置されており、複数の単位セル及びセパレータシートがそれらの両端で保持されながら複数の単位セル及びセパレータシートが折り畳まれる。その結果、そのような製造プロセスを実施するのに必要なスペース及びシステムが本質的に必要であるので、製造方法が非常に複雑であり、設備投資費用が高い。
したがって、製造コストを最小限にすると共に同規格の他のバッテリに比べてバッテリの容量及び品質を向上させながら製造プロセス性を向上させることができるバッテリセル製造装置に対する高い必要性がある。
したがって、本発明は、上記問題、および、まだ解決されていない他の技術的問題を解決させるものである。
具体的には、本発明の目的は、製造コストを最小限にすると共に同規格の他のバッテリに比べてバッテリの容量及び品質を向上させながら製造プロセス性を向上させることができる新規構造を有するバッテリセル製造装置を提供することである。
本発明の１つの態様によれば、２以上の単位セルを備えるバッテリセルを製造するように構成されたバッテリセル製造装置であって、単位セルスタッキングユニットであって、該単位セルスタッキングユニットの中に複数の単位セルが上方から導入されて、前記単位セルスタッキングユニット内において前記複数の単位セルが順次積み重ねられる、単位セルスタッキングユニットと、前記単位セルスタッキングユニットから送り出された単位セルスタックの表面を分離フィルムで包むラッピングユニットと、前記単位セルスタックの前記表面を包む前記分離フィルムを熱収縮させる加熱ユニットと、を備えるバッテリセル製造装置の提供により、上記及び他の目的を達成することができる。
つまり、複数の単位セルは、容易に積み重ねられて単位ユニットスタックを構成し、そして、単位セルスタックは送り出されて、分離フィルムで包まれ、熱収縮させられる。これにより、バッテリセルの製造のプロセス性を大幅に向上させると共に、バッテリの容量及び品質を同規格の他のバッテリと比べて向上させることができる。
前記複数の単位セルの各々は、２つ以上の電極プレートが、前記電極プレートの間にセパレータが配置された状態で重ね合わせられる構造となるように構成されることができる。例えば、複数の単位セルの各々は、最も外側の電極プレートが反対の電極を構成するフルセル構造を有するように構成されてもよい。フルセル構造の代表的な例としては、カソード／セパレータ／アノード構造、及び、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード構造を挙げることができる。
場合によっては、最も外側の電極プレートが同じ電極を構成する構造となるように構成されたバイセルが、複数の単位セルの各々として使用されてもよい。バイセルの代表的な例としては、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード構造（Ｃ型バイセル）、及び、アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード構造（Ａ型バイセル）を挙げることができる。
複数の単位セルとして複数のフルセルが使用される場合、複数のフルセルは、各フルセルの間に分離フィルムが配置された状態で各フルセルの反対の電極が互いに向かい合うように、単位セルスタッキングユニットによって積み重ねられる。一方、複数の単位セルとして複数のバイセルが使用される場合、各バイセルの間に分離フィルムが配置された状態で各バイセルの反対の電極が互いに向かい合うように、Ｃ型バイセルとＡ型バイセルとが交互に単位セルスタッキングユニットによって積み重ねられる。
好適な例では、前記単位セルスタッキングユニットが、上端が開放されていると共に直径が下方向に向かって縮小しているホッパ型の上部分と、前記単位セルスタックに対応する内部寸法を有する下部分と、を具備する構造となるように構成されることができる。これにより、単位セルスタッキングユニットの上部分に集められた複数の単位セルは、重力によって単位セルスタッキングユニットの下部分に移動することができ、単位セルスタッキングユニットの下部分で均一に且つ垂直に積み重ねさせることができる。
上述した構造において、前記単位セルスタッキングユニットの前記下部分に下側送出口を設けることができ、前記下側送出口を通って前記単位セルスタックが順次送り出される。下側送出口を通って送り出された単位セルスタックは、分離フィルムで容易に包まれることができる。
具体的には、前記単位セルスタッキングユニットの前記下部分が、前記複数の単位セルの各々の電極プレートよりも大きく、且つ、前記複数の単位セルの各々のセパレータよりも小さい内径を有することができる。したがって、単位セルスタックが単位セルスタッキングユニットの下部分に沿って下向きに移動するとき、単位セルスタックは、セパレータが単位セルスタッキングユニットの下部分の内壁に接触した状態で、複数の単位セルの各々のセパレータの弾性による重力に相当する力、及び、単位セルスタッキングユニットの下部分の内壁に対する摩擦力によって、下向きに移動する。これにより、単位セルスタックは、物理的に押されることなく順次積み重ねられ得る。
また、前記単位セルスタッキングユニットの前記下部分に、前記複数の単位セルの各々のセパレータを支持するためのステップ突起が設けられることができる。これにより、単位セルスタックが順次積み重ねられている最中に、単位セルスタックがステップ突起の高さを上回ると、単位セルスタックが下側送出口から送り出される。
ステップ突起の構造は、ステップ突起が単位セルスタックを容易に支持することができる限り、特に限定されない。例えば、ステップ突起は、前記単位セルスタッキングユニットの前記上部分と前記下部分との間の境界位置、前記下部分の特定部位、又は前記下部分の下側送出口の位置に形成されてもよい。
その一方で、前記単位セルスタッキングユニットの前記下部分に、排気用の貫通孔が設けられることができる。これにより、単位セルスタッキングユニットの下部分と単位セルスタッキングユニットの下部分の内壁に接触する各ユニットセルのセパレータとの間に集まった空気が貫通孔から排気され、それにより、単位セルスタックが下側送出口に向かって下向きに容易に移動し得る。
具体的な例では、前記ラッピングユニットが、前記単位セルスタックの頂面又は底面を前記分離フィルムで包むためのジグと、前記単位セルスタックの前記頂面又は前記底面が前記ジグによって前記分離フィルムで包まれた状態で、前記単位セルスタックの前記底面又は前記頂面を前記分離フィルムで引き続き包むためのラッピングプレートと、前記単位セルスタックの前記頂面及び前記底面が前記分離フィルムで包まれた状態で、前記分離フィルムの重ね合された部分を熱溶着させるためのシーリングブロックと、を具備することができる。
前記ジグが、前記単位セルスタックの前記頂面又は前記底面に接触するように構成されたメインジグと、前記単位セルスタックの左側面又は右側面に接触するように構成されたサイドジグと、を備えることができる。これにより、ジグは、単位セルスタックを支持しながら単位セルスタックを分離フィルムで包むことができる。
前記ラッピングプレートは、前記サイドジグの反対側の前記単位セルスタックの側方から前記サイドジグの方へ向かって移動することができ、それにより、前記単位セルスタックが前記分離フィルムで包まれる。これにより、製造プロセスは、大幅に簡易化される。
また、前記シーリングブロックは、前記サイドジグの方へ向かって移動することができ、それにより、前記分離フィルムの前記重ね合された部分が熱溶着される。熱溶着された分離フィルムは、熱によって切断されてもよい。場合によっては、熱溶着された分離フィルムを切断するための追加のカッターを備えていてもよい。
分離フィルムは、複数の単位セルの電極プレートと単位セルスタックとの間に配置させることができ、それにより、そこの間の絶縁性が維持される。例えば、分離フィルムは、ポリプロピレン、ポリプロピレン共重合体、又はポリプロピレン混合物で形成されてもよい。また、分離フィルムは、多孔構造となるように構成されてもよい。
その一方で、前記加熱ユニットは、単位セルスタックを包む分離フィルムを熱収縮させることができる高温チャンバーであってもよい。高温チャンバーによって熱収縮する分離フィルムは、単位セルスタックに固定することができ、外からの衝撃から単位セルスタックを保護することができる。
前記分離フィルムは１５０から１８０℃の温度で熱収縮させることができる。
前記単位セルスタックは、コンベアベルトによって前記ラッピングユニットから前記加熱ユニットまで搬送されることができる。これにより、自動組み立てラインを容易に実現することができる。
本発明の別の態様によれば、上述した構造を有するバッテリセル製造装置を使用して製造されたバッテリセルが提供される。
バッテリセルは、二次バッテリ或いは電気化学キャパシタであってもよい。好ましくは、バッテリセルはリチウム二次バッテリである。
本発明の上記及び他の目的、特徴、並びに他の効果は、下記の添付図面と併用される下記の詳細な説明によって、より明確に理解されるであろう。
ここで、添付図面を参照しながら本発明の具体例としての実施形態を詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は説明した実施形態に限定されないことに留意すべきである。
図１は、好ましくは電極アセンブリの単位セルとして使用される例示的なフルセルを示す典型的な図である。
図１を参照すると、単位セル１０としてのフルセルは、カソード１５／セパレータ１３／アノード１１のユニット構造となるように構成されたセルである。カソード１５及びアノード１１は、セルのうちの反対側に配置されている。フルセルは、基本的な構造であるカソード／セパレータ／アノード構造を有するセルか、或いは、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード構造を有するセルのうちのどちらかにすることができる。カソード／セパレータ／アノード構造を有するフルセルが図１に示されている。二次バッテリを含む電気化学セルをそのようなフルセルを使用して構成するために、複数のフルセルの間に分離フィルムを配置させながら、カソード及びアノードが互いに向かい合うように複数のフルセルを重ね合わせる必要がある
図２は、本発明の実施形態に係る単位セルスタッキングユニットを示す典型的な図である。
図１と共に図２を参照すると、単位セルスタッキングユニット１００は、複数の単位セルが上方から単位セルスタッキングユニット１００の中に導入されて順次積み重ねられる構造となるように構成されている。単位セルスタッキングユニット１００は、上端が開放されていると共に直径が下方向に向かって縮小しているホッパ型の上部分１１０と、単位セルスタック１０に対応する内部寸法を有する下部分１２０と、を具備する。
単位セルスタッキングユニット１００の下部分１２０には下側送出口１２２が形成されており、下側送出口１２２から単位セルスタック１０が順次送り出される。
また、単位セルスタッキングユニット１００の下部分１２０は、内径が、複数の単位セルの各々の電極プレート１１、１５よりも大きく、且つ、複数の単位セルの各々のセパレータ１３よりも小さい。その結果、単位セルスタック１０は、セパレータ１３が単位セルスタッキングユニット１００の下部分の内壁に接触した状態で、複数の単位セルの各々のセパレータ１３の弾性による重力に相当する力、及び、単位セルスタッキングユニット１００の下部分の内壁に対する摩擦力によって、下向きに移動する。これにより、単位セルスタックが、物理的に押されることなく順次積み重ねられ得る。
また、複数の単位セルの各々のセパレータ１３を支持するためのステップ突起１２４は、単位セルスタッキングユニット１００の下部分１２０の特定部位に、及び、下側送出口１２２の位置に形成されている。これにより、単位セルスタック１０が順次積み重ねられている最中に、単位セルスタック１０がステップ突起１２４の高さを上回ると、単位セルスタック１０が下側送出口１２２から送り出される。
その一方で、下部分の内壁に接触する複数のユニットセルの各々のセパレータ１３と単位セルスタッキングユニット１００の下部分１２０との間の圧縮空気を放出させるために、排気用の貫通孔１２６が単位セルスタッキングユニット１００の下部分１２０に形成されており、それにより、単位セルスタック１０が下側送出口１２２から容易に送り出され得る。
図３は、図２の単位セルスタッキングユニットを除いたバッテリセル製造装置を典型的に示す図であり、図４は、図２のラッピングユニットを使用して単位セルのスタックを包むプロセスを典型的に示す図である。
図２とともにこれらの図面を参照すると、バッテリセル製造装置５００は、単位セルスタッキングユニット１００と、ラッピングユニット２００と、加熱ユニット３００と、を具備している。
ラッピングユニット２００は、単位セルスタッキングユニット１００から送り出された単位セルスタック１０の表面を分離フィルム２１０で包むように構成された装置である。ラッピングユニット２００は、単位セルスタック１０の頂面を分離フィルム２１０で包むためのジグ２２０と、単位セルスタック１０の底面を分離フィルム２１０で包むためのラッピングプレート２３０と、単位セルスタック１０の頂面及び底面が分離フィルム２１０で包まれた状態で、分離フィルム２１０の重ね合された部分２１５を熱溶着させるためのシーリングブロック２４０と、を具備している。
具体的には、ジグ２２０は、単位セルスタックの頂面に接触するように構成されたメインジグ２２１と、単位セルスタックの左側面に接触するように構成されたサイドジグ２２２と、を具備している。これにより、ジグ２２０は、単位セルスタック１０を支持しながら単位セルスタック１０を分離フィルム２１０で包むことができる。
また、単位セルスタック１０の頂面及び左側面がジグ２２０によって分離フィルム２１０で包まれた状態で、ラッピングプレート２３０がサイドジグ２２２の反対側の単位セルスタック１０の側方からサイドジグ２２２の方へ向かって移動し、それにより、単位セルスタック１０が分離フィルム２１０で包まれる。
続いて、シーリングブロック２４０がサイドジグ２２２の方へ向かって移動し、それにより、分離フィルムの重ね合された部分（破線で囲まれた部分を参照）が熱溶着される。熱溶着された分離フィルム２１０は、熱によって切断される。
分離フィルム２１０は、ポリプロピレン、ポリプロピレン共重合体、又はポリプロピレン混合物で形成されており、それにより、分離フィルム２１０が複数の単位セルの電極プレートと単位セルスタックとの間に配置されて、そこの間の絶縁性が維持される。
その一方で、単位セルスタック１０は、コンベアベルト４００によってラッピングユニット２００から加熱ユニット３００まで搬送される。加熱ユニット３００は、単位セルスタック１０を包む分離フィルム２１０を１７０℃の温度で熱収縮させる高温チャンバーであり、加熱ユニット３００によって、熱収縮分離フィルム２１０が単位セルスタック１０に確実に固定された状態となり、単位セルスタック１０が外からの衝撃から保護される。
本発明の例示的な実施態様を説明の目的で開示したが、当業者には、添付の特許請求の範囲に開示されている本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、種々の修正、追加及び置き換えが可能であることが理解できるであろう。
上記の説明から明らかなように、本発明に係るバッテリセル製造装置は、複数の単位セルを容易に積み重ねて単位セルスタックを構成し、その単位セルスタックを送り出すことができると共に、その単位セルスタックを分離フィルムで包むことができ、分離フィルムが熱収縮させることができ、それにより、バッテリセル製造のプロセス性が向上すると共に、バッテリの容量及び品質が同規格の他のバッテリに比べて向上する。
１０・・・単位セルスタック
１３・・・セパレータ
５００・・・バッテリセル製造装置
１００・・・単位セルスタッキングユニット
１１０・・・上部分
１２０・・・下部分
１２２・・・下側送出口
１２４・・・ステップ突起
１２６・・・貫通孔
２００・・・ラッピングユニット
２１０・・・分離フィルム
２２０・・・ジグ
２２１・・・メインジグ
２２２・・・サイドジグ
２３０・・・ラッピングプレート
２４０・・・シーリングブロック
３００・・・加熱ユニット
１３・・・セパレータ
５００・・・バッテリセル製造装置
１００・・・単位セルスタッキングユニット
１１０・・・上部分
１２０・・・下部分
１２２・・・下側送出口
１２４・・・ステップ突起
１２６・・・貫通孔
２００・・・ラッピングユニット
２１０・・・分離フィルム
２２０・・・ジグ
２２１・・・メインジグ
２２２・・・サイドジグ
２３０・・・ラッピングプレート
２４０・・・シーリングブロック
３００・・・加熱ユニット
Claims (18)
- ２以上の単位セルを備えるバッテリセルを製造するように構成されたバッテリセル製造装置であって、
単位セルスタッキングユニットであって、該単位セルスタッキングユニットの中に複数の単位セルが上方から導入されて、前記単位セルスタッキングユニット内において前記複数の単位セルが順次積み重ねられる、単位セルスタッキングユニットと、
前記単位セルスタッキングユニットから送り出された単位セルスタックの表面を分離フィルムで包むラッピングユニットと、
前記単位セルスタックの前記表面を包む前記分離フィルムを熱収縮させる加熱ユニットと、
を備えるバッテリセル製造装置。 - 前記複数の単位セルの各々が、２つ以上の電極プレートが、前記電極プレートの間にセパレータが配置された状態で重ね合わせられる構造となるように構成されている、請求項１に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記単位セルスタッキングユニットが、上端が開放されていると共に直径が下方向に向かって縮小しているホッパ型の上部分と、前記単位セルスタックに対応する内部寸法を有する下部分と、を備える、請求項１に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記単位セルスタッキングユニットの前記下部分に下側送出口が設けられ、前記下側送出口を通って前記単位セルスタックが順次送り出される、請求項３に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記単位セルスタッキングユニットの前記下部分が、前記複数の単位セルの各々の電極プレートよりも大きく、且つ、前記複数の単位セルの各々のセパレータよりも小さい内径を有する、請求項３に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記単位セルスタッキングユニットの前記下部分に、前記複数の単位セルの各々のセパレータを支持するためのステップ突起が設けられている、請求項３に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記ステップ突起が、前記単位セルスタッキングユニットの前記上部分と前記下部分との間の境界位置、前記下部分の特定部位、又は前記下部分の下側送出口の位置に形成されている、請求項６に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記単位セルスタッキングユニットの前記下部分に、排気用の貫通孔が設けられている、請求項３に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記ラッピングユニットが、
前記単位セルスタックの頂面又は底面を前記分離フィルムで包むためのジグと、
前記単位セルスタックの前記頂面又は前記底面が前記ジグによって前記分離フィルムで包まれた状態で、前記単位セルスタックの前記底面又は前記頂面を前記分離フィルムで引き続き包むためのラッピングプレートと、
前記単位セルスタックの前記頂面及び前記底面が前記分離フィルムで包まれた状態で、前記分離フィルムの重ね合された部分を熱溶着させるためのシーリングブロックと、
を備える、請求項１に記載のバッテリセル製造装置。 - 前記ジグが、前記単位セルスタックの前記頂面又は前記底面に接触するように構成されたメインジグと、前記単位セルスタックの左側面又は右側面に接触するように構成されたサイドジグと、を備える、請求項９に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記ラッピングプレートが前記サイドジグの反対側の前記単位セルスタックの側方から前記サイドジグの方へ向かって移動することで、前記単位セルスタックが前記分離フィルムで包まれる、請求項１０に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記シーリングブロックが前記サイドジグの方へ向かって移動することで、前記分離フィルムの前記重ね合された部分が熱溶着される、請求項１０に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記分離フィルムが、ポリプロピレン、ポリプロピレン共重合体、又はポリプロピレン混合物で形成される、請求項１に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記加熱ユニットが高温チャンバーである、請求項１に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記分離フィルムが１５０から１８０℃の温度で熱収縮される、請求項１に記載のバッテリセル製造装置。
- 前記単位セルスタックが、コンベアベルトによって前記ラッピングユニットから前記加熱ユニットまで搬送される、請求項１に記載のバッテリセル製造装置。
- 請求項１から１６のいずれか一項に記載のバッテリセル製造装置を使用して製造されたバッテリセル。
- 前記バッテリセルがリチウム二次バッテリである、請求項１７に記載のバッテリセル。
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