JP2023522648A - ノッチングパイロットピン付き電極成形装置及びこれを用いて電極を成形する方法 - Google Patents
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Abstract
本願発明は、電極をノッチングする過程で発生し得る段差を減らすためのノッチングパイロットピンを備えている電極成形装置及びこれを用いて電極を成形する方法に関する。
Description
本願発明は、２０２０年１０月１６日付大韓民国特許出願第２０２０－０１３４６９３号に基づいた優先権の利益を主張し、当該大韓民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。
本願発明は、ノッチングパイロットピン付き電極成形装置及びこれを用いて電極を成形する方法に関する。具体的には、電極をノッチングする過程で発生し得る段差を減らすためのノッチングパイロットピンを備えている電極成形装置及びこれを用いて電極を成形する方法に関する。
二次電池は、金属素材からなる円筒形又は角形ケース、又はアルミニウムを含むラミネートシートのパウチ形ケースに電極組立体を内蔵し、電解液を注入した後に密封して製造する。
電極組立体は、正極と負極との間に分離膜が介在するように積層される構造であり、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在した後に巻き取った構造のジェリー－ロール型電極組立体、板状の正極と負極とを分離膜が介在した状態で積層したスタック型電極組立体、単位セルを長いシート状の分離膜に配置した後に巻き取った構造のスタック／フォルディング型電極組立体、及び単位セル同士の間に分離膜を介在した後に積層した構造のラミネーション／スタック型電極組立体に分類される。
前記スタック型、スタック／フォルディング型、及びラミネーション／スタック型のようなスタック型構造の電極組立体では、集電体の一面又は両面に電極活物質が塗布されている単面電極板又は両面電極板を使用する。
一般に、前記電極組立体の製造方法は、電極シートを製造する工程、電極シートをプレス（ｐｒｅｓｓｉｎｇ）する工程、電極シートをセルの規格に合わせて小幅切断（ｓｌｉｔｔｉｎｇ）する工程、真空乾燥工程、電極シート上に電極タブをノッチングする工程、前記電極シートと分離膜とを含んで電極組立体を製造する工程、を含む。
これと関連して、図１は、従来の電極製造過程の一部を示している。
図１を参照すると、移送方向（Ａ）を基準に電極シート１１０の両端外周辺１１１と中心部を除く部分にのみ電極材コーティング部１２０が形成され、電極材コーティング部１２０を除く残りの部分には電極材非コーティング部１２１が形成される。
電極シート１１０は、移送方向（Ａ）を基準に電極シート１１０の中心部においてスリッティングライン（ｓｌｉｔｔｉｎｇ）１１２に沿って二等分され、２個の単位電極シート１３０に分けられる。
スリッティングライン１１２に沿って分けられた単位電極シート１３０において、移送方向（Ａ）の第１側外周辺１１４は、電極タブ１１３を形成するためにノッチング（ｎｏｔｃｈｉｎｇ）され、第２側外周辺１１５は、単位電極の製造のための切断予定部を形成するためにノッチングされる。図１で、スリッティングライン１１２に沿って二等分される際に電極タブ１１３が同時にノッチングされてよい。
本願発明の明細書において、ノッチングは、電極タブをその形状に合わせて切断する過程の他に、スリッティングラインに追って電極シートを二等分する切断も含む。また、電極シート及びシートはいずれも、電極材コーティング部がある又はない金属製電極シートのいずれをも含む。
電極をノッチングする場合に、理論的には、図２の上図のように、電極シートの移送方向と平行に切断され、電極タブはこれに垂直に切断されなければならない。電極シート１１０において電極材コーティング部１２０と電極材非コーティング部１２１は厚さ偏差があり、このため、ノッチングを行う際に、当該タブは正確に切断されず、押されて切断（ノッチング）される蛇行不良が発生する（図２で下図参照）。
蛇行不良によって電極タブに段差が発生すると、１）電極組立体を製造する積層過程で上部層と下部層とが正確に一致しなくなるため、電池としての効率が低下し、２）電極タブの突き出た部分が分離膜に損傷を与えて短絡を起こすことがあり、３）電極組立体製造過程中にそれぞれの電極を回転する場合に、正確に位置を制御し積層する基準が不明確になる問題が発生する。
特許文献１は、上下移動可能な上型と下型とで構成されるパンチングプレス金型を用いて、帯板形又はフープ形の電極板において複数の極板を連続してパンチング加工する電池用極板製造方法であり、前記上型は、パンチと切断進行方向の前方にせん断刃を内蔵し、前記下型は、前記パンチをはめ込むパンチング孔を有するダイと切断進行方向の前方にせん断刃を内蔵し、前記極板の長手方向に極板同士の対辺を互いに共通辺として隣接させてパンチング加工する時に、極板の隣接方向に沿う一方の対辺を辺Ａ、共通辺を辺Ｂとして辺Ａ、Ｂが作るコーナー部を面取りし、また、前記パンチング孔の下部にパンチング方向に段階的に孔寸法が大きくなる２段以上の階段上部を形成した下型を利用することを特徴とする。
特許文献１は、本願発明のノッチングパイロットピンのような構成がないだけでなく、切断された極板カスによる詰まりとノッチングするパンチングの寿命を増やそうとする点で、本願発明で解決しようとする問題点に対する解決策を提示できずにいる。
特許文献２は、一面又は両面に電極活物質が塗布されている連続した電極シートから多数の単位電極を製造するために、前記電極シートを単位電極間隔でノッチングする装置であり、位置決めされた状態で電極シートの上端部と下端部にそれぞれノッチを打ち抜くプレス；及び、電極シートが供給される方向を基準にプレスの後方に位置し、前記プレスの動作に合わせて単位電極に対応するサイズである１ピッチずつ電極シートを引き取って移送する２つ以上のグリッパー；を含んでおり、前記グリッパーのうち一つのグリッパーが電極シートを引き取って移送する過程を行う時に、残りのグリッパーは引き取りのための位置に移動するノッチング装置に関する。
特許文献２は、電極シートにノッチが形成され、第１及び第２グリッパー動作によってピッチ分だけ供給されて打ち抜かれるので、一定の間隔でノッチングをする特徴を有するが、これは蛇行不良に対する解決策になり得ない。
特許文献３は、ノッチングローラーを含んでいる電極製造装置であり、長いシート状の集電体上に電極活物質が塗布されている第１電極シートを、ノッチング及びカッティングのために連続して移送する移送部；円筒形構造を有し、回転によって第１電極シートの一面をノッチング（ｎｏｔｃｈｉｎｇ）することにより、相対向する一側外周辺及び他側外周辺が連続して形成された第２電極シートを製造するノッチングローラー（ｎｏｔｃｈｉｎｇ ｒｏｌｌｅｒ）；及び、前記ノッチングされた第２電極シートを電極幅の長さにカッティングすることで、最終電極を製造するカッター；を含んでおり、前記ノッチングローラーは、平面視で第２電極シートの一側外周辺を形成する第１ノッチング部、及び前記一側外周辺に対向する他側外周辺を形成する第２ノッチング部を含んでいる。
特許文献３は、ノッチングローラーを用いることによってノッチング段差を発生させないと記載しているが、ローラー形態のローラーを用いる場合に、電極材コーティング部と電極材非コーティング部の厚さ偏差がむしろ累積し続いて蛇行不良が加重するのに、特許文献３はこのような問題を認識していないと考えられる。
特許文献４は、ハイブリッド自動車に用いられるリチウムイオンポリマー電池の極板を一度で複数個加工するプレス金型装置に関し、切断手段が備えられた上部金型部と、これを補助する下部金型部を設置し、それらの間に薄板状の極板素材が連続して供給されながら、電池に具備される極板部材を同時に複数個加工できるように構成することにより、一度で複数個の極板を精密、均一且つ連続に加工生産できるようにしたものである。
特許文献４は、中間カッター刃にノッチ部が形成され、極板部材の境界を表示しながらパンチング作業を行うことができるが、蛇行不良の問題点には気づいていないと考えられる。
このように、ノッチング作業によって電極を大量に生産する工程において、蛇行不良による段差の問題は、後続作業である電極組立体の製造とこれによる電池の性能に影響を及ぼし続ける非常に重要な工程である。それにも拘わらず、このような問題点を認識したうえでの明確な解決策を提示できずにいる。
本願発明は、上記のような問題を解決するためのものであり、ノッチング作業中に発生し得る電極タブ部分の段差問題を解決できる電極成形装置及びこれを用いて電極を成形する方法を提供することを目的とする。
本願発明は、上記のような問題点を解決するために、電極シートを一定の速度で移動させるシート移送部；前記電極シートを固定させる固定部；及び、電極シートの中心部と外周辺の一部をノッチング（Ｎｏｔｃｈｉｎｇ）して除去するセンターパンチング部とサイドパンチングとで構成されるパンチング（Ｐｕｎｃｈ）部；を含み、前記センターパンチング部は、ホールパンチング部（Ｈｏｌｅ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）とノッチングパイロットピン（Ｎｏｔｃｈｉｎｇ ｐｉｌｏｔ ｐｉｎ）とを含む電極成形装置を提供する。
前記センターパンチング部は、電極シート移動方向が長軸である直方体状の本体；前記電極シート移動方向を基準に前記本体の後端に形成された前記ホールパンチング部；前記電極シート移動方向を基準に前記本体の前端の下部に形成された前記ノッチングパイロットピンを含むことができる。
前記本体は、電極シート移動方向が長軸である直方体の形態であり、前記直方体の下面として、前記電極シートをパンチングする本体パンチング面を含むことができる。
前記ホールパンチング部は、前記電極シート移動方向を基準に前記本体の後端から延長され、前記電極シートをパンチングするパンチング面の幅が広くなる拡大部；前記拡大部から延長され、電極シートをパンチングするパンチング面の幅が前記長軸に追って減る縮小部；前記縮小部から延長され、前記ノッチングパイロットピンが掛け止められる係止溝を前記電極シートにパンチングするピンパンチング部；を含むことができる。
前記ノッチングパイロットピンは、断面が円、円弧、くさび、三角、及び四角のいずれか一形態であってよい。
前記固定部は、中央に前記センターパンチング部の形態に対応可能な中央溝が備えられていてよい。
前記中央溝は、前記ノッチングパイロットピンの挿入が可能な深さで形成されてよい。
本願発明は、また、前記電極成形装置を用いる電極成形方法であって、Ｓ１）シート移送部を用いて電極シートを一定の長さだけ移送する段階；Ｓ２）パンチングの前段階において前記電極シートに形成されたノッチングパイロットピンが掛け止められる溝に前記ノッチングパイロットピンが掛け止められるように電極シートを移送するか或いは前記パンチング部を移送する段階；Ｓ３）前記パンチング部で前記電極シートを加圧して前記電極シートをパンチングする段階；Ｓ４）前記パンチング部を前記電極シートから離隔させる段階；を含む電極成形方法を提供する。
前記Ｓ４）において前記パンチング部が前記電極シートから離隔する距離は、前記ノッチングパイロットピンの少なくとも一部が前記電極シートの溝への挿入を保持する距離以下である。
本願発明は、また、前記電極成形装置を用いて成形された電極を提供する。
以上に説明したように、本願発明に係るノッチングパイロットピン付き電極成形装置及びこれを用いて電極を成形する方法は、従来の電極成形装置に比べて、ノッチング作業中に発生し得る電極タブ部分の段差問題を解決できるという効果がある。
本願発明は、従来の電極成形装置で発生し得る蛇行不良を除去することによって、１）電極組立体を製造する積層過程で上部層と下部層とが正確に一致し、電池としての効率が向上し、２）電極タブの突き出た部分がないので、それによる分離膜の損傷と短絡を未然に防止でき、３）電極組立体製造過程中にそれぞれの電極を回転する場合に正確に位置を制御し、積層する基準が明確になるという効果がある。
以下、添付の図面を参照して、本願発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が本願発明を容易に実施できる実施例を詳細に説明する。ただし、本願発明の好ましい実施例に対する動作原理を詳細に説明するとき、関連する公知機能又は構成に関する具体的な説明が本願発明の要旨を却って曖昧にし得ると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
なお、図面中、類似の機能及び作用をする部分に対しては同一の図面符号を使用する。明細書全体を通じて、ある部分が他の部分と連結されているとしているとき、これは、直接に連結されている場合の他に、それらの間にさらに他の素子を介在して間接に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むということは、別に断らない限り、他の構成要素を除外する意味ではなく、他の構成要素をさらに含んてもよいことを意味する。
なお、構成要素を限定又は付加して具体化する説明は、特に制限がない限り、いずれの発明にも適用されてよく、特定の発明に限定しない。
本願発明を、図面を参照して詳細な実施例のように説明する。
図３は、本願発明の一実施例に係る電極成形装置の斜視図であり、図４は、本願発明の一実施例に係るセンターパンチング部の斜視図及び断面図であり、図５は、本願発明の一実施例に係るノッチングパイロットピンと係止溝との結合関係を示す模式図である。
図３～図５を参照すると、本願発明に係る電極成形装置は、電極シート１１０を一定の速度で移動させるシート移送部（図示せず）；前記電極シート１１０を固定させる固定部２００；及び、電極シートの中心部と外周辺の一部をノッチング（Ｎｏｔｃｈｉｎｇ）して除去するセンターパンチング部３００とサイドパンチング（図示せず）とで構成されるパンチング（Ｐｕｎｃｈ）部；を含み、前記センターパンチング部３００はホールパンチング部（Ｈｏｌｅ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）３１０とノッチングパイロットピン（Ｎｏｔｃｈｉｎｇ ｐｉｌｏｔ ｐｉｎ）３２０とを含む、電極成形装置を提供する。
前記サイドパンチングは、図３のように特別な形態のノッチングをしてもよく、図２のような通常の電極タブ形態のノッチングをしてもよいが、これは具体的に限定しない。
前記センターパンチング部３００は、電極シート１１０の移動方向（Ａ）が長軸である直方体状の本体３５０；前記電極シート１１０の移動方向（Ａ）を基準に前記本体３５０の後端に形成された前記ホールパンチング部３１０；前記電極シート１１０の移動方向（Ａ）を基準に前記本体３５０の前端の下部に形成された前記ノッチングパイロットピン３２０を含むことができる。
前記本体３５０は、電極シート１１０の移動方向（Ａ）が長軸である直方体の形態であり、前記直方体の下面として、前記電極シートをパンチングする本体パンチング面３４０を含むことができる。
前記ホールパンチング部３１０は、前記電極シート１１０の移動方向（Ａ）を基準に前記本体３５０の後端から延長され、前記電極シートをパンチングするパンチング面の幅が広くなる拡大部３１２；前記拡大部３１２から延長され、電極シート１１０をパンチングするパンチング面の幅が前記長軸（Ａ）に沿って減る縮小部３１４；前記縮小部３１４から延長され、前記ノッチングパイロットピン３２０が掛け止められる係止溝１１６を前記電極シート１１０にパンチングするピンパンチング部３１６；を含むことができる。図５で、前記係止溝１１６は電極シート１１０に形成されているので点線に該当し、図３では、青色で表示された電極シート１１０に形成された溝を指す。
前記ノッチングパイロットピン３２０は、図３～図５では、円柱形態を示しているが、断面が円、円弧、くさび、三角、及び四角のいずれか一形態であってよい。特に、くさび又は三角の形態は、前記縮小部３１４と連結され、単なる電極シート１１０の移送方向（Ａ）に対する整列の他、前記移送方向（Ａ）の垂直に対する整列も共に行うことができる。
前記固定部２００は、中央に前記センターパンチング部の形態に対応し得る中央溝２１０が設けられてよい。前記中央溝２１０は、前記ノッチングパイロットピン３２０が挿入され得る深さで形成されてよい。
本願発明は、また、前記電極成形装置を用いる電極成形方法において、Ｓ１）シート移送部を用いて電極シートを一定の長さだけ移送する段階；Ｓ２）パンチングの前段階において前記電極シートに形成されたノッチングパイロットピンが掛け止められる溝に前記ノッチングパイロットピンが掛け止められるように電極シートを移送するか或いは前記パンチング部を移送する段階；Ｓ３）前記パンチング部で前記電極シートを加圧して前記電極シートをパンチングする段階；Ｓ４）前記パンチング部を前記電極シートから離隔させる段階；を含む、電極成形方法を提供する。
前記Ｓ４）において前記パンチング部が前記電極シートから離隔する距離は、前記ノッチングパイロットピンの少なくとも一部が前記電極シートの溝への挿入を保持する距離以下である。
以上に説明したように、本願発明に係るノッチングパイロットピン付き電極成形装置及びこれを用いて電極を成形する方法は、従来の電極成形装置に比べて、ノッチング作業中に発生し得る電極タブ部分の段差問題を解決できるという効果がある。
本願発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、前記内容に基づいて本願発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
１１０ 電極シート
１１１ 外周辺
１１２ スリッティングライン
１１３ 電極タブ
１１４ 第１側外周辺
１１５ 第２側外周辺
１１６ 係止溝
１２１ 電極材非コーティング部
１２０ 電極材コーティング部
１３０ 単位電極シート
２００ 固定部
２１０ 中央溝
３００ センターパンチング部
３１０ ホールパンチング部
３１２ 拡大部
３１４ 縮小部
３１６ ピンパンチング部
３２０ ノッチングパイロットピン
３４０ 本体パンチング面
３５０ 本体
Ａ 移送方向
１１１ 外周辺
１１２ スリッティングライン
１１３ 電極タブ
１１４ 第１側外周辺
１１５ 第２側外周辺
１１６ 係止溝
１２１ 電極材非コーティング部
１２０ 電極材コーティング部
１３０ 単位電極シート
２００ 固定部
２１０ 中央溝
３００ センターパンチング部
３１０ ホールパンチング部
３１２ 拡大部
３１４ 縮小部
３１６ ピンパンチング部
３２０ ノッチングパイロットピン
３４０ 本体パンチング面
３５０ 本体
Ａ 移送方向
本願発明は、電極をノッチングする過程で発生し得る段差を減らすためのノッチングパイロットピンを備えている電極成形装置及びこれを用いて電極を成形する方法に関し、産業上に利用可能である。
Claims (10)
- 電極シートを一定の速度で移動させるシート移送部；
前記電極シートを固定させる固定部；及び
電極シートの中心部と外周辺の一部をノッチング（Ｎｏｔｃｈｉｎｇ）して除去するセンターパンチング部とサイドパンチングとで構成されるパンチング（Ｐｕｎｃｈ）部；
を含み、
前記センターパンチング部は、ホールパンチング部（Ｈｏｌｅ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）とノッチングパイロットピン（Ｎｏｔｃｈｉｎｇ ｐｉｌｏｔ ｐｉｎ）とを含む、電極成形装置。 - 前記センターパンチング部は、電極シート移動方向が長軸である直方体状の本体；
前記電極シート移動方向を基準に前記本体の後端に形成された前記ホールパンチング部；
前記電極シート移動方向を基準に前記本体の前端の下部に形成された前記ノッチングパイロットピンを含む、請求項１に記載の電極成形装置。 - 前記本体は、電極シート移動方向が長軸である直方体状であり、
前記直方体の下面として、前記電極シートをパンチングする本体パンチング面を含む、請求項２に記載の電極成形装置。 - 前記ホールパンチング部は、
前記電極シート移動方向を基準に前記本体の後端から延長され、前記電極シートをパンチングするパンチング面の幅が広くなる拡大部；
前記拡大部から延長され、電極シートをパンチングするパンチング面の幅が前記長軸に追って減る縮小部；
前記縮小部から延長され、前記ノッチングパイロットピンが掛け止められる係止溝を前記電極シートにパンチングするピンパンチング部；
を含む、請求項２に記載の電極成形装置。 - 前記ノッチングパイロットピンは、
断面が円、円弧、くさび、三角、及び四角のいずれか一形態である、請求項２に記載の電極成形装置。 - 前記固定部は、中央に前記センターパンチング部の形態に対応可能な中央溝が備えられている、請求項１に記載の電極成形装置。
- 前記中央溝は、前記ノッチングパイロットピンの挿入が可能な深さで形成されている、請求項６に記載の電極成形装置。
- 請求項１～７のいずれか一項に記載の電極成形装置を用いる電極成形方法であって、
Ｓ１）シート移送部を用いて電極シートを一定の長さだけ移送する段階；
Ｓ２）パンチングの前段階において前記電極シートに形成されたノッチングパイロットピンが掛け止められる溝に前記ノッチングパイロットピンが掛け止められるように電極シートを移送するか或いは前記パンチング部を移送する段階；
Ｓ３）前記パンチング部で前記電極シートを加圧して前記電極シートをパンチングする段階；
Ｓ４）前記パンチング部を前記電極シートから離隔させる段階；
を含む電極成形方法。 - 前記Ｓ４）において前記パンチング部が前記電極シートから離隔する距離は、前記ノッチングパイロットピンの少なくとも一部が前記電極シートの溝への挿入を保持する距離以下である、請求項８に記載の電極成形方法。
- 請求項１～７のいずれか一項に記載の電極成形装置によって成形された電極。
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