JP2017535909A - 二次電池用ラミネーティング装置及び二次電池のラミネーティング方法 - Google Patents

二次電池用ラミネーティング装置及び二次電池のラミネーティング方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、二次電池用ラミネーティング装置に関し、本発明に係る二次電池用ラミネーティング装置は、電極組立体と分離膜を接合するための装置において、前記電極組立体を前記分離膜上に配置した状態で移送する移送部；前記移送部の移送経路上に配置され、前記電極組立体の全面に接触して熱を加えることにより、前記電極組立体を前記分離膜に接合する接合部；を含むことを特徴とする。これにより、電極組立体に均一な圧力をかけて分離膜に堅固に接合することにより、耐久力に優れた二次電池を製作することができる二次電池用ラミネーティング装置が提供される。

Description

関連出願との相互引用
本出願は、2014年10月2日付韓国特許出願第10-2014-0133023号及び2015年9月15日付韓国特許出願第10-2015-0130400号に基づいた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ている全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。
技術分野
本発明は、二次電池用ラミネーティング装置及び方法に関し、より詳しくは、電極組立体と分離膜との間を堅固に接合することができる二次電池用ラミネーティング装置及び方法に関する。
最近、充放電が可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源または補助電力装置などに広範囲に用いられている。また、二次電池は、化石燃料を用いる既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車（EV）、ハイブリッド電気自動車（HEV）、プラグインハイブリッド電気自動車（Plug-In HEV）などの動力源としても注目されている。
このような二次電池は、電極組立体が電解液とともに電池ケースに含まれる形態に製造される。前記電極組立体は、製造方法によってスタック型、フォールディング型及びスタック・フォールディング型などに区分される。スタック型またはスタック・フォールディング型電極組立体の場合、単位組立体が正極と負極が分離膜を挟んで順次積層される構造でなっている。このような単位組立体を製造するためには、電極と分離膜との間を接合させるラミネーティング過程が必要である。
前記ラミネーティング過程は、一般に前記単位組立体を加熱して電極と分離膜を接着させる過程を経る。このための加熱方法には、主に輻射及び対流による間接加熱方式を用いている。このような方式は、大量生産のために二次電池の各製造工程が有機的に繋がれているので、前記単位組立体を移送中にラミネーティングするためである。
しかし、前記輻射及び対流による間接加熱方式は、直接接触して伝導する直接加熱方式に比べ、単位組立体を目標温度まで昇温させるためにさらに多い時間が必要となる。
このような問題を解決するため、接触式加熱を利用した二次電池用ラミネーティング装置が開発された。
図1は、従来の二次電池用ラミネーティング装置の一例を概略的に示した図である。図2は、図1の従来の二次電池用ラミネーティング装置によって電極組立体に加えられる圧力を示した図である。
しかし、図1及び図2に示されているところのように、従来の二次電池用ラミネーティング装置200の場合は、電極組立体10の厚さが分離膜の幅方向に沿って変わるにもかかわらず、このような厚さの変化を考慮することなく、平たい接触面を有する接合部220を利用しており、これによって全体的な接合力に欠陷が発生する問題があった。
つまり、平たい構造の接合部220を有する従来の二次電池用ラミネーティング装置200の利用時には、電極組立体20の電極11と分離膜20との間を接合することはできるが、電極タブ12と分離膜20との間の接合が発生しないので、全体的に均一な接合が起こらず接合力が低下する問題があった。
したがって、本発明の目的は、このような従来の問題点を解決するためのことであって、電極組立体に均一な圧力をかけて分離膜に堅固に接合することにより、耐久力に優れた二次電池を製作することができる二次電池用ラミネーティング装置を提供することにある。
前記目的は、本発明に基づき、電極組立体と分離膜を接合するための装置において、前記電極組立体を前記分離膜上に配置した状態で移送する移送部；前記移送部の移送経路上に配置され、前記電極組立体の全面に接触して熱を加えることにより、前記電極組立体を前記分離膜に接合する接合部；を含むことを特徴とする二次電池用ラミネーティング装置によって達成される。
また、前記電極組立体は、前記電極と、前記電極の端部から突き出される電極タブとを含み、前記接合部は、前記電極タブと前記電極に接触するように段差を形成することができる。
また、前記電極組立体は、前記分離膜上に複数個が互いに離隔されるように配置され、前記分離膜の幅は、前記電極組立体の端部から外側へ延長されるように設けられ、前記接合部は、前記電極組立体と前記分離膜に全て接触するように段差を形成することができる。
また、前記電極組立体と対向する前記接合部の面は、互いに異なる段差面を有する三つの領域に分割され得る。
また、前記目的は、本発明に基づき、分離膜上に電極組立体を配置する配置段階；前記電極組立体を配置した状態で前記分離膜を連続的に移送する移送段階；前記分離膜の移送経路上で前記電極組立体の全面に接触して熱を加えることにより、前記電極組立体を前記分離膜に接合する接合段階；を含むことを特徴とする二次電池のラミネーティング方法によって達成される。
また、前記電極組立体は、電極と、前記電極の端部から突き出される電極タブとを含み、前記接合段階では前記電極と前記電極タブに同時に接触して熱を加えることができる。
本発明によれば、電極組立体を均一に加圧することにより、分離膜に一層堅固に接合することができる二次電池用ラミネーティング装置が提供される。
また、電極組立体に提供される加圧力と同一な大きさの力を分離膜自体にも印加することにより、分離膜自体の耐久性を向上させることができる。
従来の二次電池用ラミネーティング装置の一例を概略的に示した図である。 図1の従来の二次電池用ラミネーティング装置によって電極組立体に加えられる圧力を示した図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池用ラミネーティング装置を概略的に示した図である。 図3の二次電池用ラミネーティング装置のA部分を示した図である。 図4の二次電池用ラミネーティング装置のV-V'切断線に沿って切断した断面を示した図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る二次電池用ラミネーティング装置に対して詳しく説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る二次電池用ラミネーティング装置を概略的に示した図である。図4は、図3の二次電池用ラミネーティング装置のA部分を示した図である。図5は、図4の二次電池用ラミネーティング装置のV - V'切断線に沿って切断した断面を示した図である。
図3から図5を参照して説明すれば、本発明の一実施形態に係る二次電池用ラミネーティング装置100は、二次電池工程で電極組立体10と分離膜20との間を互いに接合するのに利用される装置であって、移送部110と接合部120を含む。
前記移送部110は、上面に電極組立体10が配置された状態で分離膜20を連続的に移送するためのものである。本実施形態で移送部110には、技術分野のインライン工程で広く利用される移送ローラー及びコンベアベルト構造が利用されるのが好ましく、これに対する詳細な説明は省略する。
一方、移送部110によって移送される電極組立体10は、正極と負極からなる電極11の間に分離膜（図示省略）が介在される積層構造でなり、電極の端部には電極タブ112が形成される。
前記正極は、例えば、正極合剤をNMPなどの溶媒に混合して作られたスラリーを正極集電体上に塗布した後、乾燥及び圧延して製造され得る。
前記正極合剤は、正極活物質以外に選択的に導電材、バインダー、充填剤などが含まれ得る。
前記正極活物質は、電気化学的反応を引き起こすことができる物質であって、リチウム遷移金属酸化物として、2以上の遷移金属を含み、例えば、1またはそれ以上の遷移金属で置換されたリチウムコバルト酸化物（LiCoO2）、リチウムニッケル酸化物（LiNiO2）などの層状化合物、1またはそれ以上の遷移金属で置換されたリチウムマンガン酸化物、化学式LiNi1-yMyO2（ここで、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、Cr、ZnまたはGaであり、前記元素のうち一つ以上の元素を含み、0.01≦y≦0.7である）で表されるリチウムニッケル系酸化物、Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2などのようにLi1+zNibMncCo1-（b+c+d）MdO（2-e）Ae（ここで、-0.5≦z≦0.5、0.1≦b≦0.8、0.1≦c≦0.8、0≦d≦0.2、0≦e≦0.2、b＋c＋d＜1で、M=Al、Mg、Cr、Ti、SiまたはYであり、A=F、PまたはClである）で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物；化学式Li1+xM1-yM'yPO4-zXz（ここで、M=遷移金属、好ましくはFe、Mn、CoまたはNiであり、M'=Al、MgまたはTiで、X=F、SまたはNであり、-0.5≦x≦+0.5、0≦y≦0.5、0≦z≦0.1である）で表されるオリビン系リチウム金属フォスフェートなどを挙げることができるが、これらだけに限定されるものではない。
前記導電材は、通常正極活物質を含んだ混合物の全体重量を基準に1から30重量%で添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば、特に制限されるのではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛、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、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維、フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカ、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが用いられ得る。
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合と集電体に対する結合とに協力する成分であって、通常正極活物質を含む混合物の全体重量を基準に1から30重量%で添加される。このようなバインダーの例には、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（CMC）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンテルポリマー（EPDM）、スルホン化EPDM、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などを挙げることができる。
前記充填剤は、電極の膨張を抑制する成分として選択的に用いられ、当該電池に化学的変化を誘発することなく繊維状材料であれば、特に制限されるのではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合剤；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が用いられる。
前記正極集電体は、一般に3から500μmの厚さに作られる。このような正極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば、特に制限されるのではなく、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、またはアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが用いられ得る。集電体は、その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。
前記負極は、例えば、負極集電体上に負極活物質を含んでいる負極合剤を塗布した後、乾燥して製造され、前記負極合剤には、必要に応じて、前記で説明したところのような導電材、バインダー、充填剤などの成分が含まれ得る。
前記負極活物質には、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、炭素繊維、難黒鉛化性炭素、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭などの炭素及び黒鉛材料；リチウムと合金が可能なAl、Si、Sn、Ag、Bi、Mg、Zn、In、Ge、Pb、Pd、Pt、Tiなどの金属、及びこのような元素を含む化合物；金属及びその化合物と、炭素及び黒鉛材料の複合物；リチウム含有窒化物などを挙げることができる。その中でも、炭素系活物質、ケイ素系活物質、錫系活物質、またはケイ素-炭素系活物質がさらに好ましく、これらは単独でまたは二つ以上の組合せで用いられてもよい。
前記負極集電体は、一般に3から500μmの厚さに作る。このような負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発することなく高い導電性を有するものであれば、特に制限されるのではなく、例えば、銅、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、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム-カドミウム合金などが用いられ得る。また、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に用いられ得る。
また、電極組立体10をなす分離膜（図示省略）、すなわち、正極と負極の間に介在される分離膜（図示省略）は、電極組立体の接合対象になる分離膜20と同一な素材でなるのが好ましく、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用いられ得る。分離膜の気孔直径は、一般に0.01〜10μmであり、厚さは一般に5〜300μmである。このような分離膜には、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー、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用いられる。
一方、前述した電極組立体10及び分離膜20の素材、構造などは一例に過ぎず、二次電池の技術分野で広く知られている構造及び素材が電極組立体及び分離膜として利用され得る。
また、前述したところのように、正極と負極を含む電極11の端部には、電極11より薄膜の電極タブ12が分離膜20の幅方向に沿って外側に突き出される。
前記接合部120は、移送部110の移送経路上に配置されるものであって、移送される電極組立体10と分離膜20の積層構造が互いに接合され得るよう、電極組立体10を加圧して熱を加える。
前記接合部120の大きさは、移送部110によって移送される分離膜20の幅に対応されることが好ましい。また、移送部110と対向される接合部120の面を接合面121と定義して説明し、接合面121は、長手方向に沿って三つの領域に分割される。
つまり、前記接合面121は、長手方向に沿って順次分割される第1領域122と第2領域123と第3領域124を含む。
前記第1領域122は、接合工程時に電極タブ12と接触が起こる領域であり、前記第2領域123は、正極または負極のうち外部に露出される最上端の電極11の面との接触が起こる領域である。最後に、前記第3領域124は、電極11が位置しない領域の分離膜と直接的な接触が起こる領域である。
一方、接合面121と接触する電極組立体10または分離膜20は最上端の高さが相違するので、高さが異なる面に同時に接触するために接合面121をなす第1領域122、第2領域123、第3領域124は、隣接する領域から段差を形成する。
より詳しく説明すれば、接合対象になる分離膜20と電極組立体10の高さは、分離膜20、電極タブ12、電極11の順に漸次高くなるので、接合面121は第3領域124が最も多く突き出され、第2領域123が最も少なく突き出され、各領域は隣接する領域との突出程度の差によって段差を形成する。
以下、本発明の一実施形態に係る二次電池用ラミネーティング装置100を利用したラミネーティング方法に対して説明する。
本実施形態に係る二次電池用ラミネーティング装置を利用した二次電池のラミネーティング方法は、配置段階と移送段階と接合段階を含む。
前記配置段階では、移送部110上に分離膜20を配置し、分離膜20上には複数個の電極組立体10を配列する。複数個の電極組立体10は、移送される方向に沿って互いに離隔されるように配列され、電極組立体10の間の離隔間隔は、移送される速度、電極組立体の大きさ、最終に完成される二次電池の構造（ゼリーロール形態なのか、スタック・アンド・フォールディング形態なのかなど） などを総合的に考慮して決める。
前記移送段階では、移送部110を利用して分離膜20、及び分離膜20上に配置された電極組立体10を連続的に移送する。移送部110から移送力の提供を受ける分離膜20は連続的に移送されて接合部120の下部を通過する。
前記接合段階では、電極組立体10と分離膜20との間の接合が行われるところ、接合部120の下段面である接合面121は、電極組立体10及び分離膜20と接触した状態でこれらを加圧し、これと同時に熱を加えることにより電極組立体10を分離膜20に接合する。
このとき、接合面121の第1領域122は電極タブ12に密着し、第2領域123は電極11の最上段面に密着し、第3領域123は電極が位置しないことから外部に露出された分離膜20に密着する。よって、接合面121の全領域が接合工程に参加することにより、電極組立体10及び分離膜20には均一な接合力が提供され得る。
したがって、段差が形成されて互いに異なる程度に突き出される第1領域122及び第2領域123が、高さが異なる電極タブ12と電極11を同時に加圧することにより、電極組立体10は全面にかけて均一な加圧力の提供を受けることができ、これによって、電極組立体10は分離膜20に一層堅固に接合され得る。それだけでなく、第3領域124が外部に露出された分離膜20自体を単独で加圧することにより、分離膜20自体の耐久性もまた向上され得る。
本発明の権利範囲は前述した実施形態に限定されるのではなく、特許請求の範囲内で多様な形態の実施形態に具現され得る。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、当該発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも変形可能な多様な範囲まで本発明の特許請求の範囲に記載の範囲内にあるものとみなす。

Claims (6)

  1. 電極組立体と分離膜を接合するための装置において、
    前記電極組立体を前記分離膜上に配置した状態で移送する移送部；
    前記移送部の移送経路上に配置され、前記電極組立体の全面に接触して熱を加えることにより、前記電極組立体を前記分離膜に接合する接合部；
    を含むことを特徴とする二次電池用ラミネーティング装置。
  2. 前記電極組立体は、前記電極と、前記電極の端部から突き出される電極タブとを含み、
    前記接合部は、前記電極タブと前記電極に接触するように段差を形成することを特徴とする請求項1に記載の二次電池用ラミネーティング装置。
  3. 前記電極組立体は、前記分離膜上に複数個が互いに離隔されるように配置され、
    前記分離膜の幅は、前記電極組立体の端部から外側へ延長されるように設けられ、
    前記接合部は、前記電極組立体と前記分離膜に全て接触するように段差を形成することを特徴とする請求項2に記載の二次電池用ラミネーティング装置。
  4. 前記電極組立体と対向する前記接合部の面は、互いに異なる段差面を有する三つの領域に分割されることを特徴とする請求項3に記載の二次電池用ラミネーティング装置。
  5. 分離膜上に電極組立体を配置する配置段階；
    前記電極組立体を配置した状態で前記分離膜を連続的に移送する移送段階；
    前記分離膜の移送経路上で前記電極組立体の全面に接触して熱を加えることにより、前記電極組立体を前記分離膜に接合する接合段階；
    を含むことを特徴とする二次電池のラミネーティング方法。
  6. 前記電極組立体は、電極と、前記電極の端部から突き出される電極タブとを含み、
    前記接合段階では前記電極と前記電極タブに同時に接触して熱を加えることを特徴とする請求項5に記載の二次電池のラミネーティング方法。
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