JP5689175B2 - 電極アセンブリのための折り畳み装置 - Google Patents

Description

本願発明は、電極アセンブリを折り畳むための装置に関し、より詳しくは、分離フィルムがそれぞれのユニットセルの間に配置される状態に、ユニットセルが連続して積層される、積層／折り畳み型電極アセンブリを製造するための折り畳み装置に関し、その折り畳み装置は、予め定められた間隔で分離フィルムの頂上に配置されたプレート形状のユニットセルを有する、ウェブを供給するためのウェブ供給ユニット、ウェブのユニットセルの最初の一つを保持する一方、分離フィルムがそれぞれのユニットセルの間に介在される状態にユニットセルが連続的に積まれるように、ユニットセルを回転させる、巻きジグ、並びに、ウェブの進行方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）の巻きジグの回転シャフトの位置を補正するためのＹ軸方向回転シャフト補正ユニット、を含み、前記Ｙ軸方向回転シャフト補正ユニットは、巻き中のウェブの垂直振幅を最小化するために、ウェブの進行方向（Ｘ軸）に垂直な方向（Ｙ軸）内で回転シャフトの位置を周期的に変える。

モバイル装置が顕著に発展してくるにつれて、そのようなモバイル装置の需要が増大しており、二次電池の需要もまた著しく増大している。そのような二次電池の間では、リチウム二次電池が高いエネルギー密度及び高い放電電圧を有し、多くの研究がなされており、現在商業化され、広く使用されている。

その外観を基にすると、リチウム二次電池は、円柱状電池、角錐状電池、又はポーチ形状の電池に分類されることができる。電解質の種類を基にすると、リチウム二次電池は、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、又はリチウムポリマー電池に分類されることもできる。

モバイル装置の小型化の最近の流れは、厚みが薄い角錐状電池又はポーチ形状の電池の需要を増大させている。特に、大きな興味が現在ポーチ形状の電池に注がれており、なぜならば、ポーチ形状の電池は形状を修正することが容易であり、ポーチ形状の電池の製造コストは低く、そしてポーチ形状の電池は軽量であるからである。

通常、ポーチ形状の電池は、樹脂層及び金属層を含むラミネートケースから形成されて密閉された状態のポーチ形状のバッテリーケースに配置される電極アセンブリ及び電解質を有する電池である。バッテリーケースに搭載された電極アセンブリは、ゼリーロール（巻き）型構造、積層型構造、又は組み合わせ（積層／折り畳み）型構造で構成される。ポーチ形状の電池は、ラミネートシートに電極アセンブリが搭載されることになる受け入れ部分を形成し、そしてそのラミネートシート又はそのラミネートシートから分離されたか又はそのラミネートシーから延在する別のシートを、電極アセンブリが受け入れ部分に搭載された状態で、密閉形式で、熱溶接することにより製造される。

その一方で、積層／折り畳み型電極アセンブリは、連続的に実施される、ノッチング工程、ラミネーション工程、折り畳み工程、パッケージング工程、及び脱気工程を通じて製造される。

分離フィルムがユニットセルの間に配置される状態になるように、ユニットセルが連続的に積層されて、プレート形状のユニットセルを巻くための折り畳み工程において、巻きジグの速度が工程効率を改善するために増加される場合には、プレート形状のユニットセルを巻く、巻きジグは、ウェブの進行方向であるＸ軸方向に垂直な方向、すなわちＹ軸方向に、フラッターを起こし或いは激しく振動し、電極活性材料がユニットセルから分離されたりダストが生成されたりしうるという結果になる。

上の問題を解決するために、積層／折り畳み型電極アセンブリを製造するための特定の構造を有する折り畳み装置の高い必要性がある。

したがって、本願発明は、上の問題及びまだ解決されていない他の問題を解決するためになされた。

具体的には、本願発明の対象は、折り畳み装置を提供することであり、ここで、工程効率を改善するため、折り畳み工程中のユニットセルからの電極活性材料の分離又はダストの発生を防止するために、Ｙ軸方向の巻きジグの回転シャフトの位置を補正するためのＹ軸回転シャフト補正ユニットが、含まれており、それにより、品質の向上した電極アセンブリを製造することである。

本願発明の一つの態様によれば、上の及び他の目的は、分離フィルムがそれぞれのユニットセルの間に配置される状態で、ユニットセルが連続的に積まれる、スタック／折り畳み型電極アセンブリを製造するための折り畳み装置の提供により達成されることができ、その折り畳み装置は、予め定められた間隔で分離フィルムの頂上に配置されたプレート形状のユニットセルを有する、ウェブを供給するためのウェブ供給ユニット、分離フィルムがユニットセルの間に介在される状態でユニットセルが連続的に積まれるようにして、ウェブのユニットセルの最初の一つを保持する一方、ユニットセルを回転させる、巻きジグ、並びに、ウェブの進行方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）の巻きジグの回転シャフトの位置を補正するためのＹ軸方向回転シャフト補正ユニットを含み、ここで、Ｙ軸方向回転シャフト補正ユニットは、巻き中にウェブの垂直振幅を最小化するために、ウェブの進行方向（Ｘ軸）に垂直な方向（Ｙ軸）に回転シャフトの位置を周期的に変える。

本願発明による折り畳み装置は、ウェブの進行方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）の巻きジグの回転シャフトの位置を補正するためのＹ軸方向回転シャフト補正ユニットを含むので、ウェブの進行方向（Ｘ軸）に垂直な方向（Ｙ軸）の回転シャフトの位置を周期的に変化させることが可能であり、それにより巻き中にウェブの垂直振幅を最小化させることが可能である。

好ましくは、ユニットセルは、バイセル（二セル）又はフルセル（完全セル）である。

バイセル及びフルセルの構築及びそれを使用する電極アセンブリの製造方法は、本特許出願の出願人の名前で出願された韓国特許出願第２００１−００８２０５８号明細書、第２００１−００８２０５９、及び第２００１−００８２０６０で開示されている。

ユニットセル（単位セル）としてのフルセルは、カソード／セパレータ／アノードの単位構造を有するセルである。すなわち、フルセルは、それらの両端に配置されるカソード及びアノードを有するセルである。フルセルは、カソード／セパレータ／アノードの単位構造に追加して、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／アノードの単位構造を有してもよい。複数のフルセルを使用する二次電池を構成するため、フルセルは、分離フィルムがそれぞれのフルセルの間に配置され、フルセルのカソードとアノードが互いに向かいあうような状態に積まれなければならない。

また、ユニットセルとしてバイセルは、それらの両端に配置された同じ電極を有するセルである。例えば、バイセルは、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソードの単位構造またはアノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードの単位構造を有してもよい。この明細書において、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソードの構造を有するセルは、「Ｃ型バイセル」として言及され、アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードの構造を有するセルは、「Ａ型バイセル」として言及される。すなわち、それらの両端に配置されているカソードを有するセルは、Ｃ型バイセルとして言及され、そしてそれらの両端に配置されているアノードを有するセルは、Ａ型バイセルとして言及される。

バイセルを構成するカソード、アノード、及びセパレータの数は、バイセルはそれらの両端に配置されている同じ電極を有する限り、特に制限されない。複数のバイセルを使用する二次電池を構成するために、バイセルは、分離フィルムがそれぞれのバイセルの間に配置され、Ｃ型バイセル及びＡ型バイセルが互いに向かい合うような状態に積まれなければならない。

フルセル及びバイセルは、セパレータがカソードとアノードの間に配置される状態でカソード及びアノードを結合することにより製造される。そのような結合方法の好ましい例は、熱溶接方法である。

フルセル及びバイセルにおいて、例えば、カソードは、カソード活性材料、導電剤、及び結合剤の混合物を、カソード電流コレクタの両主面に、塗布し、乾燥し、そして押圧することにより、提供される。充填剤が必要に応じて混合物に添加されてもよい。

通常、カソード電流コレクタは、３から５００μｍの厚みを有する。カソード電流コレクタは、カソード電流コレクタが高い導電性を示す一方、カソード電流コレクタが適用される電池のいかなる化学変化をも誘発しない限り、特に制限されない。例えば、カソード電流コレクタは、カーボン、ニッケル、チタン、または銀から製造されてもよい。代わりに、カソード電流コレクタは、その表面がカーボン、ニッケル、チタン、または銀で処理されるアルミニウムまたはステンレス鋼から製造されてもよい。カソード電流コレクタは、カソード活性材料の接着強度を増大させるように、それらの表面で形成されるマイクロ不均一パターンを有することができる。カソード電流コレクタは、例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、有孔ボディ、フォームボディ、及び不織布ボディのような、様々な形態で構成されることができる。

カソード活性材料は、例えば、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）またはリチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）または、１つまたはそれ以上の遷移金属により置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（ここで、ｘ＝０から０．３３）により表されるリチウムマグネシウム酸化物、例えば、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、またはＬｉＭｎＯ_２のような、リチウムマグネシウム酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；例えばＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５またはＣｕ_２Ｖ_２Ｏ_７のような、バナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１−ｘＭ_ｘＯ_２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｂ，またはＧａ，及びｘ＝０．０１から０．３）により表されるＮｉ−サイトのリチウムニッケル酸化物、または化学式ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｚｎ，又はＴａ，ｘ＝０．０１から０．１）又は化学式Ｌｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，またはＺｎ）により表されるリチウムマグネシウム合成物；アルカリ土類金属イオンにより部分的に置換される化学式のＬｉを有するＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；またはＦｅ_２（ＭｏＯ_４）_３，のような、層状の化合物であってもよいが、それには限られない。

導電剤は、導電剤がカソード活性材料を含む化合物の総重量を基に１から５０重量％を占めるように、通常追加される。導電剤は、導電剤が高い導電性を示す一方導電剤がそれが適用される電池のいかなる化学変化をも誘発しない限り、特に制限されない。例えば、自然グラファイトまたは人工グラファイトのような、グラファイト；カーボンブラック、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェン（ｋｅｔｊｅｎ）ブラック 、チャネルブラック、ファーナスブラック、ランプブラック、またはサマーブラック；導電性繊維、例えばカーボンファイバーまたは金属ファイバー；金属粉末、例えばカーボンフルオライド粉末、アルミニウム粉末、またはニッケル粉末；導電性ウィスカ、例えば、酸化亜鉛またはチタン酸カリウム；導電性金属酸化物、例えば酸化チタン；またはポリフェニレン誘導体が導電剤として使用されることができる。

結合剤は、活性材料及び導電剤の間で結合すること及び電流コレクタで結合することを助ける化学成分である。結合剤は、通常、カソード活性材料を含む化合物の総重量を基に１から５０重量％の量で、添加される。結合剤の例として、ポリビニリデンフッ化物、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スターチ、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−ジアンテトラポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン酸化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、フルオロゴム、及び様々なコポリマーが使用されることができる。

充填剤は、カソードの拡大を抑制するために使用される任意選択の化学成分である。加えられる電池に化学変化を起こさず、繊維質材料から作られる限り、充填剤に特に限定はない。充填剤の例示としては、オレフィンポリマー、例えばポリエチレン及びポリプロピレン；及び、繊維質材料、例えばガラスファイバー及びカーボンファイバーが使用されることができる。

他方、アノードは、アノード電流コレクタに、アノード活性材料を加え、乾燥し、押圧することにより、提供される。前に記載されている導電剤及び結合剤は、必要に応じてアノード活性材料に選択的に追加されることができる。

通常、アノード電流コレクタは、３から５００μｍの厚みを有する。アノード電流コレクタは、高い伝導性を示す一方、アノード電流コレクタは、追加される電池の化学的変化を誘発しない限りにおいて、アノード電流コレクタは特に限定されない。例えば、アノード電流コレクタは、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、またはプラスチックカーボンから作られることができる。代わりに、アノード電流コレクタは、その表面が炭素、ニッケル、チタン、または銀またはアルミニウムカドミウム合金で処理される同またはステンレス鋼から作られることができる。カソード電流コレクタと同じ方法で、アノード電流コレクタは、アノード活性材料の接着強度を増加させるように、その表面で形成されるマイクロ不均一パターンを有することができる。アノード電流コレクタは、例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、有孔ボディ、フォームボディ、及び不織布ボディのような、様々な形態で構成されることができる。

アノード活性材料として、例えば、カーボン、例えば非黒鉛化炭素または黒鉛ベースの炭素；金属複合酸化物、例えば、Ｌｉ_ｘＦｅ_２Ｏ_３（０≦ｘ≦１），Ｌｉ_ｘＷＯ_２（０≦ｘ≦１），Ｓｎ_ｘＭｅ_１−ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（Ｍｅ：Ｍｎ，Ｆｅ，Ｐｂ，Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ，Ｂ，Ｐ，Ｓｉ，周期表の１，２及び３属の元素，ハロゲン；０≦ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）；リチウム金属；リチウム合金；シリコンベースの合金；錫ベースの合金；金属酸化物、例えばＳｎＯ，ＳｎＯ_２，ＰｂＯ，ＰｂＯ_２，Ｐｂ_２Ｏ_３，Ｐｂ_３Ｏ_４，Ｓｂ_２Ｏ_３，Ｓｂ_２Ｏ_４，Ｓｂ_２Ｏ_５，ＧｅＯ，ＧｅＯ_２，Ｂｉ_２Ｏ_３，Ｂｉ_２Ｏ_４，またはＢｉ_２Ｏ_５；導電性ポリマー、例えばポリアセチレン；またはＬｉ−Ｃｏ−Ｎｉベースの材料を使用することができる。

セパレータは、カソードとアノードの間に配置される。セパレータとしては、例えば、高いイオン透過性及び高い機械的強度を示す絶縁性薄膜が使用されることができる。セパレータは通常０．０１から１０μｍの孔直径及び５から３００μｍの厚みを有する。セパレータの材料としては、化学的耐性及び疎水性を示す、オレフィンポリマー、例えばポリプロピレン、ガラスファイバー、またはポリエチレンから作られた例えば、シートまたは不織布が使用される。固体電解質、例えばポリマーが、電解質として使用される場合、固体電解質は、セパレータとして作用することができる。本願発明に使用される分離フィルムは、セパレータと同じ材料またはセパレータとは異なる材料から形成されることができる。

積層／折り畳み電極アセンブリが、ユニットセルとして上で述べられた構造のフルセルまたはバイセルを使用して構成された場合、分離フィルムがユニットセルのそれぞれの寸法に対応する長さを有する間隔を空けた領域を有し、いずれのユニットセルもユニットセルの最初の一つに近接する分離フィルムの領域に配置されず、間隔を空けた領域は、それぞれのユニットセルの間の電気的分離を維持するため、折り畳み中に、ユニットセルの最初の一つの前面及び裏面を包むように、ユニットセルは分離フィルムに配置されることができる。

最初に、ユニットセルは、長いシート型の連続的な分離フィルムに配置される。分離フィルムが、ユニットセルを積層するために、分離フィルムの長手方向に連続的に折り畳まれる場合、電極アセンブリは、ユニットセルの間の電気的隔離が分離フィルムにより達成される構造を有するように製造される。

好ましい例において、電極アセンブリがバイセルを使用して製造される場合、異なる種類のバイセルがバイセルのそれぞれの下側端部に互いに近接されるように、バイセルは分離フィルムに配置されることができ、それにより、カソード／アノード／カソード／アノードの構造を有する電極アセンブリを製造する。分離フィルムは、ユニットセルのそれぞれの寸法に対応する長さを有する間隔の空いた領域を有することができ、いずれのユニットセルもユニットセルの最初の一つに近接する分離フィルムの領域に配置されず、そして間隔の空いた領域は、折り畳み中に、それぞれのユニットセルの間で電気的分離を維持するため、ユニットセルの最初の一つの前面を包む。この明細書において、折り畳みの前にユニットセルが分離フィルムに配置される場合、分離フィルムに接触するユニットセルの主表面は裏面として定義され、ユニットセルの他の主表面は前面として定義される。

別の好ましい例において、電極アセンブリがフルセルを使用して製造される場合、フルセルは、分離フィルムに配置されることができ、異なる電極表面が、フルセルのそれぞれの下側端部の同じ表面（前面）と向かい合い、それにより、カソード／アノード／カソード／アノードの構造を有する電極アセンブリを製造する。分離フィルムは、ユニットセルのそれぞれの寸法に対応する長さを有する間隔のあいた領域を有することができ、いずれのユニットセルもユニットセルの最初の一つに近接する分離フィルムの領域に配置されず、そして間隔の空いた領域は、折り畳み中に、それぞれのユニットセルの間で電気的分離を維持するため、ユニットセルの最初の一つの前面を包む。

好ましい例において、ユニットセル、例えばフルセルまたはバイセルが、分離フィルムに配置される場合、ユニットセルは、容易な折り畳みのため分離フィルムに取り付けられることができる。そのような取り付けは、熱溶接により達成されることができる。

本願発明による折り畳み装置において、巻きジグの構造は、曲げ軸がウェブの最初のユニットセルを固定的に保持するように構成されている限り、特に制限されない。例えば、巻きジグは、ユニットセルの一つの上側端部で及びユニットセルの一つに対応する分離フィルムの下側端部で、ウェブを固定的に保持するように構成されることができる

好ましい例において、ウェブの上方向または下方向位置が変えられる場合、回転シャフトのＹ軸位置はその変化をオフセット（相殺）する方向に変えられることができ、それにより、巻き中にウェブの垂直振幅を除去する。ウェブは、Ｙ軸方向に周期的に震えるかまたはフラッターを起こしうる。結果的に、回転シャフトのＹ軸位置もまた、ウェブのそのような変化に基づいて周期的に変化されてもよい。

状況により、折り畳み装置は、ウェブの進行方向（Ｘ軸方向）の巻きジグの回転シャフトの位置を補正するため、Ｘ軸方向回転シャフト補正ユニットをさらに含むことができる。

構造の例として、Ｘ軸方向回転シャフト補正ユニットは、プレート形状のユニットセルの巻き中に引き起こされるウェブのＸ軸速度Ｖｘの変化を補正するため回転シャフトの位置を周期的に変化させることができ、それによりウェブの張力を均一に維持する。

詳しくは、Ｖｘは、ウェブ供給ユニットでの速度である。ウェブ供給ユニットでのＸ軸速度は、ウェブ供給ユニットと巻きジグの間の張力を均一的に維持するために均一でなければならない。

例えば、ウェブのＸ軸速度Ｖｘの変化を補正するため理論的に計算された補正量は、１８０度の周期を有する関数として明らかに現れることができる。しかしながら、実際には、微分されることができない点、すなわち、異なる傾き値を有する点が、１８０度あたりに起こる。変位の微分値が速度であるので、速度が急激に変化する点が起こる。結果として、加速度は図７に示されるように急激に変化され、ジャーク（急動）の増加の結果をもたらす。

巻きジグまたはユニットセルが円柱状の形状で回転運動を実行しないがプレート形状では回転運動を実行するのでこれが起こる。すなわち、巻き中に生成されたウェブのＸ軸速度Ｖｘは、ｓｉｎθに理論的には比例しうる。しかしながら、実際には、最大値は、θ＝９０度の場合には現れずに、θ＝約８０度で現れる。これは、なぜならば最大値は、回転運動を実行する円に正接する部分で得られるからである。

したがって、巻きジグが理論的に計算された補正量に基づいてＸ軸方向で補正される場合においては、もしプロセスがあらかじめ定められた速度以上で実行されて、回転シャフト補正ユニットがより高いトルクを有するように回転シャフト補正ユニットのデザインを変えることが必要となる結果となれば、過剰な負荷が装置に加えられる。

他方で、理論的に計算された補正量が、類似の変位値を有する周期的な関数に変えられる場合には、一方で微分されることができない点は起こらない。さらに、たとえ回転速度が増加しても、過剰な負荷は装置に加えられず、そしてデザインの変化なしにプロセス効率を改善することが可能になる。図８を参照すると、微分は、補正量グラフのすべての位置で可能であり、速度及び加速度グラフの両方が連続である。また、ジャークは、あらかじめ定められた範囲からは、外れない。

巻きジグの回転シャフトのＸ軸方向の位置の補正及びＹ軸方向の位置の補正が同時に実行されることができる。

この場合、巻きジグの回転シャフトの位置の補正が、巻き中にＸ軸方向が長軸で、且つ、Ｙ軸方向が短軸の、楕円形状で実行されることができる。

Ｙ軸方向の回転シャフト補正ユニット及びＸ軸方向の回転シャフト補正ユニットは垂直変化量を補正することができる限り、Ｙ軸方向の回転シャフト補正ユニット及びＸ軸方向の回転シャフト補正ユニットの両方が、使用されることができる。好ましくは、Ｙ軸方向の回転シャフト補正ユニット及びＸ軸方向の回転シャフト補正ユニットは、相互接続された可変回転構造を有するように構成される。

可変回転構造の好ましい例は、回転偏心ローラ、及び偏心ローラの回転運動を直線運動に変換するための可変クランクを含むことができる。

本願発明の別の態様によれば、上述の構造を有する折り畳み装置を使用して製造された積層−折り畳み型電極アセンブリを含む二次電池が提供される。

二次電池の代表的な例は、リチウムイオンを媒質として使用するリチウム二次電池であることができる。

リチウム塩含有、非水電解質は、非水電解質及びリチウムからなる。非水電解質として、非水電解溶液、固体電解質、又は無機固体電解質が使用されることができる。

非水電解溶液の例としては、非プロトン有機溶媒、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフランク、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、メチルギ酸、メチルアセテート、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、メチルプロピオネート及びエチルプロピオネートから作られることができることが挙げられる。

有機固体電解質の例としては、ポリエチレン誘導体、ポリエチレン酸化物誘導体、ポリプロピレン酸化物誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリアジテーションリジン、ポリエステル硫化物、ポリビニルアルコール類、ポリビニリデンフッ化物、及びイオン解離基含有ポリマーから作られることが挙げられる。

無機固体電解質の例としては、リチウムの窒化物、ハロゲン化物及び硫酸塩［エステル］、例えば、Ｌｉ_３Ｎ，ＬｉＩ，Ｌｉ_５ＮＩ_２，Ｌｉ_３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ，ＬｉＳｉＯ_４，ＬｉＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ，Ｌｉ_２ＳｉＳ_３，Ｌｉ_４ＳｉＯ_４，Ｌｉ_４ＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ，及びＬｉ_３ＰＯ_４−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２から作られることが挙げられる。

リチウム塩は、上に述べられた、非水電解質にすぐに溶解可能な材料であり、例えば、ＬｉＣｌ，ＬｉＢｒ，ＬｉＩ，ＬｉＣｌＯ_４，ＬｉＢＦ_４，ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０，ＬｉＰＦ_６，ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３，ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２，ＬｉＡｓＦ_６，ＬｉＳｂＦ_６，ＬｉＡｌＣｌ_４，ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ，ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ，（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＬｉ，クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、リチウムテトラフェニルホウ酸、及びイミドが挙げられる。

追加的に、充電及び放電特性及び難燃性を改善するため、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グリム、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミンダイ類、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、アルミニウムトリクロライド等が非水電解質に追加されることができる。状況により、不燃性を与えるために、非水電解質は、さらに、ハロゲン含有溶媒、例えばカーボンテトラクロライド及びエチレントリフルオライドを含むことができる。さらに、高い温度の貯蔵特性を改善するため、非水電解質は、追加的に二酸化炭素ガスを追加することができる。

一方、リチウム二次電池は、電極アセンブリの形状並びにバッテリーケースの構造及び形状を基に、円柱状電池、角錐状電池、又はポーチ形状の電池として分類されることができる。それらの間で、本願発明は、折り畳み中の問題を有する、ポーチ形状の電池に適切に適用されることができる。

前に記載したように、ポーチ形状の電池は、金属層及び樹脂層を含むラミネートシートから形成される、ポーチ形状の電池ケースに取り付けられた電極アセンブリを有するバッテリーである。通常、アルミニウムラミネートシートから形成されたケースが広く使用される。

電極アセンブリを使用する二次電池の製造方法が、本願発明が関連する分野で周知であるので、それらの詳細な説明は省略される。

本願発明の上の及び他の目的、特徴及び他の利益は、添付の図面を併用して以下の詳細な説明からより明らかに理解される。

本願発明の実施形態による折り畳み装置を示す斜視図である。 フルセルを巻くことにより製造された積層／折り畳み型電極アセンブリの例示的構造を示す典型図である。 積層／折り畳み型電極アセンブリを製造するためフルセルを巻く工程を示す典型図である。 積層／折り畳み型電極アセンブリを製造するためバイセルを巻く工程を示す典型図である。 巻きジグの回転運動によりウェブの長さの変化の計算を示す典型図である。 回転運動中回転角θを基にしたウェブの長さ変化量、ウェブの直線変化量、及びウェブの補正量を示すグラフである。 回転角θを基にした補正量、速度、加速度、及びジャークを示すグラフである。 周期的関数を使用して補正が実行される場合の回転角θを基にした、補正量、速度、加速度、及びジャークを示すグラフである。 本願発明の実施形態による折り畳み装置を示す概略典型図である。 本願発明の別の実施形態による折り畳み装置を示す概略典型図である。 本願発明による折り畳み装置が使用される場合の上側及び下側補正変位を示すグラフである。

ここで、本願発明の例示的な実施形態が添付の図面を参照して詳細に記載される。しかしながら、本願発明の範囲は、例示された実施形態に限定されることはないことが留意されるべきである。

図１は、本願発明の実施形態による折り畳み装置を示す斜視図である。

この図面を参照すると、折り畳み装置９００は、予め定められた間隔で分離フィルム１１６の頂上に配置されたプレート形状のユニットセル１１２を有する、ウェブ１１０を供給するためのウェブ供給ユニット１００、分離フィルム１１６がそれぞれのユニットセル１１２の間に介在される状態でユニットセル１１２が連続的に積まれるようにして、ウェブ１１０のユニットセル１１２の最初の一つを保持する一方、ユニットセル１１２を回転させる、巻きジグ２００、ウェブの進行方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）の巻きジグ２００の回転シャフトの位置を補正するためのＹ軸方向回転シャフト補正ユニット３００、並びに、ウェブ１００の進行方向（Ｘ軸方向）の巻きジグ２００の回転シャフトの位置を補正するため、Ｘ軸方向回転シャフト補正ユニット４００、を含む。

また、Ｙ軸方向回転シャフト補正ユニット３００は、巻き中にウェブ１１０の垂直振幅を最小化させるためにウェブの進行方向（Ｘ軸）に垂直な方向（Ｙ軸）の回転シャフトの位置を周期的に変化させる。

巻きジグ２００は、ユニットセル１１２の一つの上側端部及びユニットセル１１２の一つに対応する分離フィルム１１４の下側端部を、固定的に保持するように構成される。分離フィルム１１４の上方向または下方向の位置が変えられる場合、回転シャフトのＹ軸位置がそのような変化をオフセットする方向に変えられる。

Ｘ軸方向回転シャフト補正ユニット４００は、プレート形状のユニットセル１１２の巻き中に引き起こされるウェブ１１０のＸ軸速度Ｖ_ｘの変化を補正するため回転シャフトの位置を周期的に変化させることができ、それによりウェブ１１０の張力を均一に維持する。

結果的に、巻きジグ２００の回転シャフトのＸ軸方向の位置の補正及びＹ軸方向の位置の補正が同時に実行される。巻きジグ２００の回転シャフトの位置の補正が、巻き中にＸ軸方向が長軸で、且つ、Ｙ軸方向が短軸の、楕円形状で実行される。

図２及び図３は、フルセルを巻くことにより製造された積層／折り畳み型電極アセンブリの例示的構造、並びに積層／折り畳み型電極アセンブリを製造するためフルセルを巻く工程を示す典型図である。

これらの図面を参照すると、フルセル１０，１１，１２，１３，及び１４のそれぞれは、 連続的配置されるカソード／セパレータ／アノードをユニットセルとして有し、重畳され、そして、分離フィルム２０が重畳されたフルセルの間に配置される。その分離フィルム２０は、それぞれのフルセルを包むため単位長さを有する。分離フィルム２０は、それぞれのフルセルを中間プルセル１０から最も外側のフルセル１４まで引き続いて巻くために全ての単位長さで内側に折り畳まれて、分離フィルム２０は重畳されたフルセルの間に配置されるようにする。分離フィルム２０の端部は、熱的に溶接されるか、又は接着テープ２５が分離フィルム２０の端部に取り付けられる。また、カソード及びアノードは、カソード活性材料及びアノード活性材料が電極シートの各主面に追加されるように構成される。しかしながら、便利のために、カソード活性材料及びアノード活性材料は、図２及び３には示されていない。

上述の構造の積層／折り畳み型電極アセンブリは、長い分離フィルム２０にフルセル１０，１１，１２，１３，及び１４を配置すること、並びに、フルセル１０，１１，１２，１３，及び１４を分離フィルム２０の一端部２１から連続して巻くことにより製造される。

ユニットセルとしてのフルセル１０，１１，１２，及び１３，１４の配置において、第１フルセル１０及び第２フルセル１１は、少なくとも１つのフルセルに対応する距離に互いから間隔を空けている。したがって、巻き中、第１フルセル１０の外側表面は分離フィルム２０により完全に包まれ、そして第１フルセル１０の下側端部電極（アノード）は、第２フルセルの上側端部電極（カソード）と接触する。

第２フルセル１１の後、フルセル１２，１３，及び１４を包むために、分離フィルム２０の長さは、巻くことによる連続的な積層が実行される間、増加される。この理由のため、フルセルは、それらの間の距離が巻き方向で連続的に増加されるように、配置される。

また、フルセル１０，１１，１２，１３，及び１４は、カソード及びアノードが巻き中に積層されたフルセルの間の境界で互いに向かい合うように構成される。結果的に、第１フルセル１０及び第２フルセル１１は、上側端部電極としてカソードをそれぞれ有するフルセルであり、第３フルセル１２は、上側端部電極としてアノードを有するフルセルであり、第４フルセル１３は、上側端部電極としてカソードを有するフルセルであり、そして第５セル１４は上側端部電極としてアノードを有するフルセルである。すなわち、それぞれが上側端部電極としてカソードを有するフルセル１１及び１３、並びにそれぞれが上側端部電極としてアノードを有するフルセル１２及び１４が、第１フルセル１０を除いて、交互に配置される。一方、示されてはいないが、バイセルがユニットセルとして使用される場合、バイセルは、バイセルが２バイセルごとに交互に配置されるように提供される。

図４は、積層／折り畳み型電極アセンブリを製造するためバイセルを巻く工程を示す典型図である。

図４を参照すると、それぞれが、ユニットセルとして、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソードまたは連続的に配置されるアノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードを有する、バイセル３０，３１，３２，３３，及び３４は、分離フィルム４０に配置され、バイセル３０，３１，３２，３３，及び３４は、積層／折り畳み型電極アセンブリを製造するため、第１バイセル３０から連続的に巻かれる。

ユニットセルとしてのバイセル３０，３１，３２，３３，及び３４の配置において、第１バイセル３０及び第２バイセル３１は、少なくとも１つのバイセルに対応する距離だけ互いから間隔を空けている。したがって、巻き中、第１バイセル３０の外側表面は、分離フィルム４０により完全に包まれており、次いで、第１バイセル３０の下側電極（アノード）は、第２バイセル３１の上側電極（カソード）と接触する。

第２バイセル３１の後、バイセル３０，３１，３２，３３，及び３４を包むための分離フィルム４０の長さは、巻くことにより実行される連続積層中、増加される。この理由のため、バイセルは、それらの間の距離が巻き方向で連続して増加されるように配置される。

また、バイセル３０，３１，３２，３３，及び３４は、カソードとアノードが、巻き中に、積層されたバイセルの間の境界で互いに向かい合うように構成される。

好ましい例において、第１バイセル３０は、外部電極としてアノードを有し、第２バイセル３２及び第３バイセル３２は、外部電極としてカソードを有し、そして第４バイセル３３及び第５バイセル３４は、外部電極としてアノードを有する。すなわち、外部電極としてカソードを有するバイセル３１及び３２並びに外部電極としてアノードを有するバイセル３３及び３４は、第１バイセル３０を除いて、２つのバイセルごとに交互に配置される。

図５は、巻きジグの回転運動によりウェブの長さの変化の計算を示す典型図である。

図５を参照すると、巻きジグの回転半径はａであり、供給ユニットである、ローラから巻きジグの回転の中心までの直線距離はｂであり、そして巻きジグの角度を基にローラからのウェブの長さはｃである。ｃは、Ｘ軸に対して巻きジグの角度θの変化を基にした以下の数式により表されることができる。
ｃ＝（ａ^２＋ｂ^２−２ａｂｃｏｓθ）^１／２
θ＝０の場合のｃ_０がウェブの長さ変化量を計算するためｃから引かれうる。

図６は、回転運動中回転角θを基にしたウェブの長さ変化量、ウェブの直線変化量、及びウェブの補正量を示すグラフである。

図６を参照すると、回転角度に対してウェブの長さが均一に増加される場合にグラフが直線である場合のウェブの長さ変化量（直線変化量）が示されている。この場合において、Ｖｘは均一である。しかしながら、巻きジグ及び巻きユニットセルは、プレート形状に形成されるので、最終変化量は、上の式により計算された値と等しいが、ウェブの長さ変化量は、回転中に直線変化量から外れる。

そのような外れを除去するため、補正量を計算するため、直線変化量が、ウェブの長さ変化量から引かれる。

図７は、回転角θを基にした補正量、速度、加速度、及びジャークを示すグラフである。

図７を参照すると、補正量グラフは、連続関数に似ている。しかしながら、微分されることができない点が約１８０度で起こる。変位の微分値は、速度である。したがって、図６の速度グラフにおいて見られるように、角点がある。結果として、加速が急激に変化され、過剰なジャークの結果となる。

したがって、そのような補正方法を用いて、工程効率を改善するため、回転速度を増大させることは困難である。

図８は、周期的関数（７．２５サイン関数）を使用して補正が実行される場合の回転角θを基にした、補正量、速度、加速度、及びジャークを示すグラフである。

図８を参照すると、補正量グラフは、周期的関数グラフ、すなわち、サイン関数グラフに類似する。したがって、７．２５サイン関数グラフが、補正のために適切に選択された場合、図８のグラフに示されているように、微分が、補正量グラフの全ての点で可能であり、速度及び加速度グラフの両方が連続であることが見られることができる。また、ジャークがあらかじめ定められた範囲から外れないので、過剰なジャークによるトルクを補正することは必要がない。

図９は、本願発明の実施形態による折り畳み装置を示す概略典型図である。

図９を参照すると、回転シャフト補正ユニット及び巻きユニットを含む。回転シャフト補正ユニットは、相互接続された可変回転構造を有する。回転シャフト補正ユニットは、回転偏心ローラ５１０及び回転偏心ローラ５１０の回転運動を直線運動に変換するため可変クランク５２０を含む。

偏心ローラ５１０の偏心シャフトを有する可変クランク５２０の一部に、偏心シャフトの回転直径だけ、水平方向に延在する溝が形成される。示されていないが、可変クランク５２０は、可変クランク５２０の水平方向の運動が制限されるように構成される。

結果的に、偏心ローラ５１０を通じて伝達された回転運動は、水平方向には可変クランク５２０を動かさないが、溝を通じて垂直直線運動に変換される。

回転シャフト補正ユニットの可変クランク５２０は、巻きジグ５４０の回転シャフトのために垂直方向に補正するように、そこに取り付けられた巻きジグ５４０を有する巻きユニット５３０に動作可能に接続される。

この場合、巻きジグ５４０を用いてウェブを巻いている間に分離フィルム５６０に配置されたユニットセル５５０を有するウェブの垂直方向のフラッターが減少される。結果として、垂直振動による電極材料のまき散らしを防ぐことが可能になる。

図１０は、本願発明の別の実施形態による折り畳み装置を示す概略典型図である。

図１０を参照すると、折り畳み装置６００は、Ｙ軸補正ユニット、Ｘ軸補正ユニット、及び巻きユニットを含む。Ｙ軸補正ユニット及び巻きユニットは、図９に示されているものと同一であるので、それらの詳細な説明は省略される。Ｘ軸補正ユニットは、相互接続された可変回転構造を有するように構成される。Ｘ軸補正ユニットは、回転偏心ローラ６８０及び偏心ローラ６８０の回転運動を直線運動に変換するための可変クランク６７０を含む。

Ｘ軸補正ユニットは、Ｙ軸補正ユニットの反対側に配置されることができ、又はＹ軸補正ユニットに垂直に配置されることができる。偏心ローラ６８０の偏心シャフトが係合される可変クランク６７０の一部に、偏心シャフトの回転直径だけ、ウェブ供給方向に垂直な方向に延在する溝が形成される。結果的に、可変クランク６７０は、ウェブ供給方向に垂直な方向には動かされないが、溝を通じてウェブ供給方向にのみ直線運動を実行する。この直線運動は、偏心ローラ６８０の偏心シャフトの回転により実行される。結果的に、直線運動は、周期関数の形態で実行される。

巻きジグ６４０の回転シャフトの垂直方向及び水平方向の補正のために、Ｙ軸補正ユニット及びＸ軸補正ユニットの可変クランク６２０及び６７０は、そこに取り付けられた巻きジグ６４０を有する巻きユニット６３０に動作可能なように接続される。

この場合において、巻きジグ６４０を使用してウェブを巻いている間に分離フィルム６６０に配置されたユニットセル６５０を有するウェブの供給速度は、均一に維持される。さらに、ウェブの垂直フラッターが減少される。

図１１は、本願発明による折り畳み装置が使用される場合の垂直補正変位を示すグラフである。

図１１を参照すると、巻きジグのマンドレルは、電極アセンブリを製造するため時計回り方向に回転される。ウェブは、グラフの右側から供給される。マンドレルは、回転力をウェブ及びチップ端部の反対側の開口端部に加えるチップ端部を含むフラット構造を有するように構成される。

垂直補正が加えられない場合において、マンドレルは、それの回転シャフトあたりのマンドレルの長さに対応する直径を有する円運動を実行する。この場合、ウェブは、マンドレルにより形成される円の半径に対応する長さだけ垂直方向下方向に変化される。

垂直補正が加えられる場合において、他方、マンドレルのチップ端部は、回転シャフト（中心位置）の垂直補正量に対応する長さだけ垂直方向に動かされ、ウェブの変化量は、垂直補正量に対応する長さだけ減少される結果となる。

図１１において、マンドレルは、７０ｍｍの幅を有し、そして補正前のウェブの垂直補正量は、３５ｍｍであった。１５ｍｍの垂直補正が加えられた場合においては、ウェブの垂直補正量は、２０ｍｍであった。

この後、本願発明は、実施例を基にして詳細に説明されるが、以下の実施例は、本願発明を例示することのみが与えられるのであり、本願発明は実験のみには限定されない。

＜例１＞
Ｘ軸補正ユニット及びマンドレルを有する巻きジグに設置され、その幅が６５．２ｍｍである、Ｙ軸補正ユニットを有する折り畳みユニットが製造された。

＜比較例１＞
折り畳み装置は、設置されていたＹ軸補正ユニットが設置されなかったことを除いて、例１と同じ方法により、製造された。

＜実験例１＞
３４ｐｐｍの高速度折り畳みが例１及び比較例１による折り畳み装置を使用して実行された。マンドレルの幅のチップ端部から１５０ｍｍ離れたウェブの位置が測定された。測定は、以下の表１に示される。

Ｙ軸補正が実行された例１による折り畳み装置を使用したウェブのフラッターは、比較例１による折り畳み装置を使用したウェブよりも少ないことが、表１からみられることができる。これは、なぜならば、ウェブのフラッターは、垂直補正を通じて減少されたからである。結果として、高速度折り畳みの場合でさえ、活性材料のまき散らしによる品質劣化を制限することが可能である。

上の記載から明らかなように、本願発明による折り畳み装置は、Ｙ軸方向の巻きジグの回転シャフトの位置を補正するためのＹ軸方向回転シャフト補正ユニットを含むように構成される。結果的に、折り畳み行程中のユニットセルからの電極活性材料の分離またはダストの生成を防止することが、工程効率を改善するために巻き速度が増加される場合でさえも、可能であり、それにより電極アセンブリの品質を非常に改善する。

本願発明の例示的な実施形態が例示目的のため開示されているが、当業者は、添付の請求項に開示されているような本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加及び置換が可能なことを理解する。

１０，１１，１２，１３，１４ フルセル
２０ 分離フィルム
２５ 接着テープ
３０，３１，３２，３３，３４ バイセル
４０ 分離フィルム
１００ ウェブ供給ユニット
１１０ ウェブ
１１２ ユニットセル
１１４ 分離フィルム
１１６ 分離フィルム
２００ 巻きジグ
３００ Ｙ軸方向回転シャフト補正ユニット
４００ Ｘ軸方向回転シャフト補正ユニット
５１０ 回転偏心ローラ
５２０ 可変クランク
５４０ 巻きジグ
６００ 折り畳み装置
６４０ 巻きジグ
６５０ ユニットセル
６６０ 分離フィルム
６７０ 可変クランク
６８０ 回転偏心ローラ
９００ 折り畳み装置

Claims (11)

1. 分離フィルムがそれぞれのユニットセルの間に配置される状態に、ユニットセルが連続して積層される、積層／折り畳み型電極アセンブリを製造するための折り畳み装置であって、当該折り畳み装置は、
   予め定められた間隔で分離フィルムの頂上に配置されたプレート形状のユニットセルを有する、ウェブを供給するためのウェブ供給ユニットと、
   分離フィルムがそれぞれの前記ユニットセルの間に介在される状態で前記ユニットセルが連続して積層されるように、前記ウェブの前記ユニットセルの最初の一つを保持しつつ、前記ユニットセルを回転させる、巻きジグと、
   前記ウェブの進行方向（Ｘ軸方向）の巻きジグの回転シャフトの位置を補正するため、Ｘ軸方向回転シャフト補正ユニットと、
   前記ウェブの進行方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）の巻きジグの回転シャフトの位置を補正するためのＹ軸方向回転シャフト補正ユニットと、
   を備え、
   前記Ｙ軸方向回転シャフト補正ユニットは、巻き中の前記ウェブの垂直振幅を最小化するために、周期的に、前記ウェブの進行方向（Ｘ軸）に垂直な方向（Ｙ軸）に回転シャフトの位置を変え、
   前記ウェブの上方向位置または下方向位置が変えられた場合、前記回転シャフトのＹ軸位置はその変化をオフセットする方向に変えられ、
   前記Ｙ軸方向の回転シャフト補正ユニット及び前記Ｘ軸方向の回転シャフト補正ユニットは、回転偏心ローラと、前記回転偏心ローラの回転運動を直線運動に変換するための可変クランクと、を含む、折り畳み装置。
2. 前記ユニットセルは、バイセルまたはフルセルである、請求項１に記載の折り畳み装置。
3. 前記分離フィルムが、それぞれのユニットセルの寸法に対応する長さを有する間隔を空けた領域を有するように、前記ユニットセルは分離フィルムに配置され、なぜなら、いずれのユニットセルも、前記ユニットセルの最初の一つに近接した前記分離フィルムの領域には配置されないからであり、並びに前記間隔を空けた領域は、前記それぞれのユニットセルの間の電気的分離を維持するため、折り畳み中に、前記ユニットセルの最初の一つの前面及び裏面を包む、請求項１に記載の折り畳み装置。
4. 前記ユニットセルが前記バイセルである場合、異なる種類のバイセルが前記バイセルのそれぞれの下側端部で互いに近接するように、前記バイセルは前記分離フィルムに配置される、請求項２に記載の折り畳み装置。
5. 前記ユニットセルが前記フルセルである場合、異なる電極表面が前記フルセルのそれぞれの下側端部で同じ表面（前面）と向かい合うように、前記フルセルは前記分離フィルムに配置される、請求項２に記載の折り畳み装置。
6. 前記巻きジグは、前記ユニットセルの一つの上側端部及び前記ユニットセルの一つに対応する前記分離フィルムの下側端部で前記ウェブを固定的に保持するように構成される、請求項１に記載の折り畳み装置。
7. Ｘ軸方向回転シャフト補正ユニットは、プレート形状のユニットセルの巻き中に引き起こされるウェブのＸ軸速度（Ｖｘ）の変化を補正するため前記回転シャフトの位置を周期的に変化させ、それにより前記ウェブの張力を均一に維持する、請求項１に記載の折り畳み装置。
8. 前記巻きジグの前記回転シャフトのＸ軸方向の位置の補正及びＹ軸方向の位置の補正が同時に実行される、請求項１に記載の折り畳み装置。
9. 前記巻きジグの前記回転シャフトの位置の補正が、巻き中に、Ｘ軸方向が長軸で、且つ、Ｙ軸方向が短軸の、楕円形状で実行される、請求項８に記載の折り畳み装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の折り畳み装置を使用して製造される積層−折り畳み型電極アセンブリ。
11. 請求項１０に記載の電極アセンブリを備える二次電池。