JP2017533543A - バッテリー用分離膜カッティング方法及びこれによって製造されたバッテリー用分離膜 - Google Patents
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Abstract
本発明は、分離膜上にレーザーを照射して分離膜をカットするバッテリー用分離膜のカッティング方法であって、前記レーザーのパルス反復率が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚである分離膜のカッティング方法、これによって製造された分離膜及びこれを含むバッテリーに関する。本発明は、従来の物理的カッティング方法では不可能だった、バッテリー用分離膜を物理的カッティングに比べて安定した切断面を有するようにカットできるという長所がある。
Description
本出願は２０１４年１０月２４日付の韓国特許出願第１０−２０１４−０１４５３７３号公報、及び２０１５年１０月２３日付の韓国特許出願第１０−２０１５−０１４８２９０号公報に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容が本明細書の一部として含まれる。
本発明は、自由な形状加工が可能なレーザーカッティング技術を用いてバッテリー用分離膜をカットする方法である。
リチウムイオンバッテリーはモバイル及び電気自動車時代において重要な要素部品であり、その容量増大の要求が続いている。モバイル及び自動車の内部空間を最大限に活用するために、既存の四角形状ではなく、円形、３次元構造及び様々な形状のバッテリーを製造する技術が必要になった。
しかしながら、既存の四角形状ではなく、円形、３次元構造及び様々な形状などの不定形のバッテリーを製造するためには、電池製造のための電極だけでなく、分離膜も様々な形状にカットできる必要がある。そのために、従来技術では、単純な「１」字状のカッター刃で分離膜を切断したり、バッテリーの形状に合う金型を製作して分離膜を切断する工程によって分離膜カッティング工程を行う必要があった。
しかし、この場合、分離膜金型の製造に時間及びコストがさらにかかり、電池の価格競争力が低下し得るという不具合があった。
また、従来技術による場合、物理的な力が加えられる時に発生する引張及びせん断応力に非常に弱いため、カッティング時に切断面にクラックなどが発生しやすく、その結果、品質が低下し、切断後に積層フィルムの断面を研磨する必要があり、製造コストが嵩むという問題点があった。
かかる問題点を解決するために、例えば、韓国公開特許第１０−２０１２−００４３９４１号公報では、積層フィルムを切断するために使用する、フィルム切断のためのレーザー切断装置及びこれを用いたフィルム切断方法を提示しているが、不定形のバッテリー用分離膜の切断には向いておらず、最適のカッティング性能を示すことができないという問題点があった。
したがって、従来の不定形（ｉｒｒｅｇｕｌａｒ）のバッテリー及び分離膜の製造に用いる金型カッティングでは、そのカッティング対象のモデルが変わる度に金型も共に入れ替えなければならないという問題点があった。
本発明は上記のような従来技術の問題点を解決するためのものであり、
従来の物理的方法でカットする時にクラックなどが発生した分離膜のカッティング工程にレーザーを適用してカットすることによって、カットされた断面が物理的カッティングに比べて安定した切断面となるようにすることにその目的がある。
従来の物理的方法でカットする時にクラックなどが発生した分離膜のカッティング工程にレーザーを適用してカットすることによって、カットされた断面が物理的カッティングに比べて安定した切断面となるようにすることにその目的がある。
上記目的を達成するために本発明は、
分離膜上にレーザーを照射して分離膜をカットするバッテリー用分離膜のカッティング方法であって、上記レーザーのパルス反復率が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚである分離膜のカッティング方法を提供する。
分離膜上にレーザーを照射して分離膜をカットするバッテリー用分離膜のカッティング方法であって、上記レーザーのパルス反復率が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚである分離膜のカッティング方法を提供する。
また、本発明は、上記カッティング方法を用いる分離膜カッティング装置であって、光移送のための２次元光伝送が可能な２軸ビームスキャナー及びＦθレンズ（Ｆ−ｔｈｅｔａ Ｌｅｎｓ）を使用する分離膜カッティング装置を提供する。
また、本発明は、上記カッティング方法によって製造されたバッテリー用分離膜を提供する。
また、本発明は、上記分離膜を含むバッテリーを提供する。
また、本発明は、上記カッティング方法によって製造されたバッテリー用分離膜を提供する。
また、本発明は、上記分離膜を含むバッテリーを提供する。
本発明に係る分離膜のカッティング方法によれば、従来の物理的カッティング工程によって切断面が粗くなるなどの問題が発生してきた分離膜のカッティング工程にレーザーカッティングを適用することによって、ユーザー所望の任意の形状に加工し、最適の分離膜カッティング品質を確保することができるだけでなく、別の金型を設計及び製造する必要がないため、金型を入れ替えることなく様々な形状の分離膜を形成することができ、その結果、金型の容易な交換及び金型コストの節減が可能になるという長所がある。
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明に係る分離膜のカッティング方法は、分離膜上にレーザーを照射して分離膜をカットする際に、上記レーザーのパルス反復率が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚであることを特徴とする。
本発明に係る分離膜のカッティング方法は、バッテリー、具体的には二次電池用バッテリー、より具体的には二次電池用ポリマーバッテリーに含まれる分離膜を切断するカッティング工程に適用することができる。
本発明において、上記カッティングの対象であるバッテリー用分離膜をカットするために、まずカッティングの対象であるバッテリー用分離膜を準備する。
上記分離膜は、基材層及び基材層の片面又は両面にコーティング層を有することができる。
上記基材層は、特に制限されないが、好ましくは、ポリオレフィン系の高分子を含むものを使用することができる。
本発明において、上記カッティングの対象であるバッテリー用分離膜をカットするために、まずカッティングの対象であるバッテリー用分離膜を準備する。
上記分離膜は、基材層及び基材層の片面又は両面にコーティング層を有することができる。
上記基材層は、特に制限されないが、好ましくは、ポリオレフィン系の高分子を含むものを使用することができる。
また、本発明において、上記カッティングの対象であるバッテリー用分離膜は、２枚以上の分離膜が積層された構造であってもよい。従来の発明では複数の分離膜を積層した後にカットすることから、カッティング断面に問題が発生しうるが、本発明は、後述する技術的特徴によって複数の分離膜を同時にカットすることができる。
本発明において、上記コーティング層としては、アルミナを含むものであれば特に限定されないが、好ましくは、アルミナを含むＳＲＳ（Ｓｅｌｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）コーティング層を使用することができる。
本発明において、上記分離膜の厚さは５ｕｍ〜５０ｕｍ、より好ましくは１０ｕｍ〜２５ｕｍにすることができる。
本発明において、上記分離膜の厚さは５ｕｍ〜５０ｕｍ、より好ましくは１０ｕｍ〜２５ｕｍにすることができる。
上記カッティングの対象であるバッテリー用分離膜をカットするために、本発明はレーザーを利用する。
上記カッティングにはレーザーを利用し、本発明では、好ましくはパルスレーザー又はＣＯ2レーザーを用いることができるが、これに限定されない。本発明のバッテリー用分離膜のカッティング時に上記パルスレーザーを用いると、物理的なカッティング工程に比べて著しく安定した切断面を得ることができる。
本発明において、上記レーザーがパルスレーザーである場合、パルス反復率が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚであるものを使用することができ、好ましくは、パルス反復率が１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚであるものを使用することができ、より好ましくは、パルス反復率が１０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚであるものを使用することができる。このような条件を満たすと、分離膜のカッティング時に、物理的なカッティング工程に比べて著しく安定した分離膜の切断面を得ることができる。
また、本発明において、上記レーザーは、カッティング速度が７００ｍｍ／ｓ〜２０００ｍｍ／ｓであるものを使用することができる。このような条件を満たすと、分離膜のカッティング時に、物理的なカッティング工程に比べて著しく安定した分離膜の切断面を得ることができる。
また、本発明において、上記レーザーは、波長が３００ｎｍ〜１２００ｎｍであるものを使用することができる。また、本発明において、上記レーザーは、パルス幅が５ｎｍ〜５００ｎｍであるものを使用することができる。
また、本発明において、上記レーザーがパルスレーザーである場合、レーザーの出力は、好ましくは２０Ｗ〜５００Ｗ、より好ましくは５０Ｗ〜２００Ｗ、最も好ましくは５０Ｗ〜１００Ｗであればよく、この場合に最も効果的な経済結果を示す。
また、上記レーザーがＣＯ2レーザーである場合、レーザーの出力が１０Ｗ〜２００Ｗであるものを使用することができ、スポットサイズが５０ｕｍ〜２００ｕｍであるものを使用することができる。
上記のような条件を満たす場合、分離膜のカッティング時に、物理的なカッティング工程に比べて著しく安定した分離膜の切断面を得ることができる。
また、上記のような条件を満たすと、３００ｍｍ／ｓ〜２０００ｍｍ／ｓの生産速度で分離膜をカットすることができる。
また、上記のような条件を満たすと、２次元スキャナーのスキャン精密度及び分離膜を固定する機構部の公差によって、１００ｕｍ以下の分離膜カッティング公差を調節することができる。
また、上記のような条件を満たすと、従来の発明ではカットし難かった１０枚以上の分離膜をカットすることができる。
また、本発明は、上記分離膜のカッティング方法によって製造されたバッテリー用分離膜を提供する。
また、上記のような条件を満たすと、従来の発明ではカットし難かった１０枚以上の分離膜をカットすることができる。
また、本発明は、上記分離膜のカッティング方法によって製造されたバッテリー用分離膜を提供する。
上述したように、本発明によって製造されたバッテリー用分離膜は、パルスレーザーによってカットされるため、切断面の表面及び断面がより一層滑らかであり、クラックなどの発生が顕著に減る。これは、従来の方法によって製造されたバッテリー用分離膜に比べて格段に向上した表面性質を有するものである。
また、本発明は、上記カッティング方法を用いる分離膜カッティング装置であって、
光移送のための２次元光伝送が可能な２軸ビームスキャナー及びＦθレンズを使用することを特徴とする分離膜カッティング装置を提供する。
また、本発明は、上記のバッテリー用分離膜を含むバッテリーを提供する。
光移送のための２次元光伝送が可能な２軸ビームスキャナー及びＦθレンズを使用することを特徴とする分離膜カッティング装置を提供する。
また、本発明は、上記のバッテリー用分離膜を含むバッテリーを提供する。
以下、本発明を実施例に基づいてより詳しく説明するが、以下に開示する本発明の実施の形態はいずれも例示であり、本発明の範囲はそれらの実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に表されており、さらに、特許請求の範囲の記載と同等な意味及び範囲内における全ての変更を含む。
［実施例］
パルス反復率に従うカッティング特性の変化
パルス反復率に従うカッティング特性の変化
［実施例１］
バッテリー用分離膜（ＬＧ化学製）を準備した後、ファイバーパルス（Ｆｉｂｅｒ Ｐｕｌｓｅ）／ＣＷ可変レーザー装置（ＳＰＩ、Ｇ４）を用いて上記分離膜をカットした。上記カッティング工程時の５０Ｗのパルスレーザーを、１０７０ｎｍの波長、１００ｎｍのパルス幅、７５ｋＨｚのパルス反復率及び１０００ｍｍ／ｓのカッティング速度の条件でカットした。
バッテリー用分離膜（ＬＧ化学製）を準備した後、ファイバーパルス（Ｆｉｂｅｒ Ｐｕｌｓｅ）／ＣＷ可変レーザー装置（ＳＰＩ、Ｇ４）を用いて上記分離膜をカットした。上記カッティング工程時の５０Ｗのパルスレーザーを、１０７０ｎｍの波長、１００ｎｍのパルス幅、７５ｋＨｚのパルス反復率及び１０００ｍｍ／ｓのカッティング速度の条件でカットした。
［実施例２］
レーザー装置のパルス反復率が１２０ｋＨｚである以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
レーザー装置のパルス反復率が１２０ｋＨｚである以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［実施例３］
レーザー装置のパルス反復率が１８０ｋＨｚである以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
レーザー装置のパルス反復率が１８０ｋＨｚである以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［実施例４］
レーザー装置のパルス反復率が４００ｋＨｚである以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
レーザー装置のパルス反復率が４００ｋＨｚである以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［実施例５］
レーザー装置のパルス反復率が２０ｋＨｚであり、２０枚の分離膜を積層した後、カッティングのためのレーザー照射回数を１０回と増やした以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
レーザー装置のパルス反復率が２０ｋＨｚであり、２０枚の分離膜を積層した後、カッティングのためのレーザー照射回数を１０回と増やした以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［比較例１］
レーザー装置のパルス反復率が１ＭＨｚである以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
レーザー装置のパルス反復率が１ＭＨｚである以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［比較例２］
レーザー装置のパルス反復率が１ＭＨｚである以外は、実施例５と同じ条件でカットした。
レーザー装置のパルス反復率が１ＭＨｚである以外は、実施例５と同じ条件でカットした。
カッティング速度に従うカッティング特性の変化
［実施例６］
上記カッティング工程時の５０Ｗのパルスレーザーを４００ｋＨｚのパルス反復率及び８００ｍｍ／ｓのカッティング速度の条件にしてカットした以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［実施例６］
上記カッティング工程時の５０Ｗのパルスレーザーを４００ｋＨｚのパルス反復率及び８００ｍｍ／ｓのカッティング速度の条件にしてカットした以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［実施例７］
レーザー装置のカッティング速度が１０００ｍｍ／ｓである以外は、実施例６と同じ条件でカットした。
レーザー装置のカッティング速度が１０００ｍｍ／ｓである以外は、実施例６と同じ条件でカットした。
［比較例３］
レーザー装置のカッティング速度が６００ｍｍ／ｓである以外は、実施例６と同じ条件でカットした。
レーザー装置のカッティング速度が６００ｍｍ／ｓである以外は、実施例６と同じ条件でカットした。
［比較例４］
上記実施例１と同じバッテリー用分離膜を準備した後、従来の物理的カッティング方法であるはさみを用いて上記分離膜をカットした。
上記実施例１と同じバッテリー用分離膜を準備した後、従来の物理的カッティング方法であるはさみを用いて上記分離膜をカットした。
ＣＯ 2 レーザーのスポットサイズ変化に従うカッティング特性の変化
［実施例８］
１２ＷのＣＯ2レーザーを利用し、１００ｋＨｚのパルス反復率及び５００ｍｍ／ｓのカッティング速度の条件で５０ｕｍのスポットサイズにカットした以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［実施例８］
１２ＷのＣＯ2レーザーを利用し、１００ｋＨｚのパルス反復率及び５００ｍｍ／ｓのカッティング速度の条件で５０ｕｍのスポットサイズにカットした以外は、実施例１と同じ条件でカットした。
［実施例９］
４０ＷのＣＯ2レーザーを利用し、２０ｋＨｚのパルス反復率及び２４００ｍｍ／ｓのカッティング速度の条件で１５０ｕｍのスポットサイズにカットした以外は、実施例８と同じ条件でカットした。
４０ＷのＣＯ2レーザーを利用し、２０ｋＨｚのパルス反復率及び２４００ｍｍ／ｓのカッティング速度の条件で１５０ｕｍのスポットサイズにカットした以外は、実施例８と同じ条件でカットした。
［実施例１０］
８０ＷのＣＯ2レーザーを利用し、６６０ｕｍのスポットサイズにカットした以外は、実施例９と同じ条件でカットした。
８０ＷのＣＯ2レーザーを利用し、６６０ｕｍのスポットサイズにカットした以外は、実施例９と同じ条件でカットした。
実験例１．カットされた分離膜の断面カッティング特性の比較
上記の実施例１〜実施例７及び比較例１〜４でカットされたプラスチックフィルムに対して、光学顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ ＢＸ５１、オリンパス社製）を用いてカットされた断面を撮影し、実施例１〜４及び比較例１は図１に、実施例５及び比較例２は図２に、実施例６〜７及び比較例２は図３にそれぞれ示した。パルス反復率に従うカットされた分離膜の断面を示す図１を参照すると、図１Ｅに示す比較例１の場合、分離膜のコーティング層と基材層との区別が非常に困難であり、粗い断面を有するだけでなく、多量のクラックができていることが分かる。しかし、図１Ａ〜図１Ｄに示す実施例１〜４では、基材層とコーティング層との区別が明確である他、断面上にクラックも殆どできていないことが分かる。
上記の実施例１〜実施例７及び比較例１〜４でカットされたプラスチックフィルムに対して、光学顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ ＢＸ５１、オリンパス社製）を用いてカットされた断面を撮影し、実施例１〜４及び比較例１は図１に、実施例５及び比較例２は図２に、実施例６〜７及び比較例２は図３にそれぞれ示した。パルス反復率に従うカットされた分離膜の断面を示す図１を参照すると、図１Ｅに示す比較例１の場合、分離膜のコーティング層と基材層との区別が非常に困難であり、粗い断面を有するだけでなく、多量のクラックができていることが分かる。しかし、図１Ａ〜図１Ｄに示す実施例１〜４では、基材層とコーティング層との区別が明確である他、断面上にクラックも殆どできていないことが分かる。
また、２０枚積層した分離膜の、パルス反復率に従うカットされた断面を示す図２を参照すると、図２Ａに示す実施例５の場合、最上層の分離膜（図２Ｃ）と最下層の分離膜（図２Ｄ）の断面が同一にカットされ、基材層とコーティング層との区別が明確である他、断面上にクラックも殆どできていないことが分かる。しかし、図２Ｂに示す比較例２では、分離膜のコーティング層と基材層との区別が非常に困難であり、粗い断面を有する他、多量のクラックができていることが分かる。
また、カッティング速度に従うカットされた分離膜の断面を示す図３を参照すると、図３Ａに示す比較例３では、分離膜のコーティング層と基材層との区別が非常に困難であり、粗い断面を有する他、多量のクラックができていることが分かる。しかし、図３Ｂ及び図３Ｃに示す実施例６及び実施例７では、基材層とコーティング層との区別が明確であり、断面上にクラックも殆どできていないことが分かる。
また、従来の物理的カッティング方法を用いた比較例４でカットされたプラスチックフィルムに対して同一の方法で断面を撮影して図４に示した。本発明の実施例によってカットされたフィルムの断面と従来の物理的カッティング方法によってカットされたフィルムの断面に大差はないことが確認できた。
また、ＣＯ2レーザーのスポットサイズに従うカットされた分離膜の断面を示す図４を参照すると、図５Ａ及び図５Ｂに示す実施例８及び実施例９では、基材層とコーティング層との区別が明確であり、断面上にクラックも殆どできていないが、図５Ｃに示す実施例１０ではその断面が粗いことが分かる。
以上、本発明の実施例に係る図面を参照して説明してきたが、本発明の属した分野における通常の知識を有する者にとっては、上記内容に基づいて本発明の範ちゅう内で様々な応用及び変形を実施することが可能であろう。
Claims (19)
- バッテリー用分離膜のカッティング方法であって、
前記バッテリー用分離膜上にレーザーを照射して分離膜をカットすることを含んでなり、
前記レーザーのパルス反復率が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚである、分離膜のカッティング方法。 - 前記レーザーのカッティング速度が７００ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓである、請求項１に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーのカッティング速度が８００ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓである、請求項２に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーのパルス反復率が１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである、請求項１に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーのパルス反復率が１０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚである、請求項４に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーは、パルスレーザー又はＣＯ2レーザーである、請求項１に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーの出力容量が２０Ｗ〜５００Ｗである、請求項１に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーの出力容量が５０Ｗ〜２００Ｗである、請求項７に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーの出力容量が５０Ｗ〜１００Ｗである、請求項８に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーの波長が３００ｎｍ〜１２００ｎｍである、請求項１に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記レーザーのパルス幅が５ｎｍ〜５００ｎｍである、請求項１に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記ＣＯ2レーザーのスポットサイズが５０μｍ〜２００μｍである、請求項６に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記分離膜は、２枚以上の分離膜が積層された構造である、請求項１に記載の分離膜のカッティング方法。
- 前記分離膜は、不定形（ｉｒｒｅｇｕｌａｒ）分離膜である、請求項１に記載の分離膜のカッティング方法。
- 請求項１に記載のカッティング方法を用いる分離膜カッティング装置であって、
光移送のための２次元光伝送が可能な２軸ビームスキャナー及びＦθレンズとを備えてなる、分離膜カッティング装置。 - 請求項１に記載のカッティング方法によって製造された、バッテリー用分離膜。
- 請求項１６に記載のバッテリー用分離膜を備えてなる、バッテリー。
- 前記バッテリーが二次電池用バッテリーである、請求項１７に記載のバッテリー。
- 前記バッテリーが二次電池用ポリマーバッテリーである、請求項１８に記載のバッテリー。
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