JP6534518B2 - 二次電池の製造装置および製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電極組立体の巻取り時に不良を減らすことができる二次電池の製造装置および製造方法に関する。
最近、携帯電話、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ネットブック（Ｎｅｔｂｏｏｋ）、ノートパソコンなどの携帯型機器の使用が増加している。携帯型機器は使用特性上、充放電可能な二次電池を利用して電源が供給される。
二次電池は、一般に正極板、セパレータおよび負極板が積層された状態で巻き取られた構造からなる電極組立体を含む構成となっている。
そして、このためには各極板を形成する基材が巻かれているスプールから基材が繰り出されながら巻取りが行われるようになるが、巻取り時の基材にかかる張力を維持するのが大変重要である。これは、巻取り過程で張力が一定でなければ電極組立体の内部で基材に変形が生じるためである。したがって、基材の供給過程で張力を一定に維持するための技術開発が要求される。
本発明は、電極組立体の巻取り時に不良を減らすことができる二次電池の製造装置および製造方法を提供する。
本発明による二次電池の製造装置は、基材を供給する基材供給部と、マンドレルによって前記基材を巻き取る巻取部と、前記基材供給部における基材供給量および前記巻取部におけるマンドレル回転量を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記マンドレル回転量と前記基材供給量との関係を示すプロファイルを貯蔵し、前記プロファイルに基づいて前記基材供給量と前記マンドレル回転量とを同期制御する。
ここで、前記プロファイルは、前記マンドレル回転量に応じた円周の変化量を反映した前記基材供給量からなることができる。
そして、前記基材にかかる張力を測定する張力測定部を、前記基材供給部と前記巻取部との間にさらに形成することができる。
また、前記張力測定部はダンサーまたはロードセルのうち、選択されたいずれか一つまたはこれらの組み合わせを含むことができる。
また、前記基材供給部と前記巻取部の間に前記基材供給量を測定する基材供給量測定部をさらに形成することができる。
また、前記基材供給量測定部はエンコーダを含む構成とすることができる。
また、前記制御部は、前記基材にかかる張力を補正するために、前記マンドレル回転量に応じた基材供給量を基準に、前記基材供給部における基材供給量を調節することができる。
また、前記二次電池が円筒形電池であり、前記プロファイルが、前記マンドレル回転量が増加するのに従って段階的に増加する、マンドレル１回転当たりの前記基材の単位供給量を含むことができる。
また、前記二次電池が角型電池であり、前記プロファイルが、２種類の放物線からなる波形を呈する、マンドレル１回転当たりの前記基材の単位供給量を含むことができる。
さらに、本発明による二次電池の製造方法は、供給された基材を巻き取って形成された電極組立体を含む二次電池を製造する方法において、前記基材を巻き取る巻取部におけるマンドレル回転量と前記基材を供給する基材供給部における基材供給量との関係を示すプロファイルを獲得する段階、および前記プロファイルに基づいて前記マンドレルと前記基材供給部とを同期駆動する段階を含むことができる。
ここで、前記プロファイルを獲得する段階は、前記マンドレルを予め設定された角度で回転させることによって前記基材供給部からの基材供給量を測定してなることができる。
そして、前記プロファイルを獲得する段階は、前記マンドレルを連続的に回転させながら基材供給量測定部によって前記基材供給量を測定することができる。
また、前記プロファイルを獲得する段階は、前記マンドレルを予め設定された角度で回転させながら、前記基材供給部のローラ直径に回転角度をかけて前記基材供給量を測定する段階を繰り返してなることができる。
また、特定時点で前記基材にかかる張力を補正するために、前記プロファイルに基づいて前記特定時点でのマンドレル回転量に応じた基材供給量を算出し、算出された基材供給量を基準に前記基材供給部における基材供給量を調節する段階をさらに含むことができる。
また、前記二次電池が円筒形電池であり、前記プロファイルが、前記マンドレル回転量が増加するのに従って段階的に増加する、マンドレル１回転当たりの前記基材の単位供給量を含むことができる。
また、前記二次電池が角型電池であり、前記プロファイルが、２種類の放物線からなる波形を呈する、マンドレル１回転当たりの前記基材の単位供給量を含むことができる。
本発明による二次電池の製造装置および製造方法は、巻取部におけるマンドレル回転量と基材供給部における基材供給量との関係を示すプロファイルを予め貯蔵し、そのプロファイルに基づいて制御部がマンドレルおよび基材供給部を同時に制御することによって、迅速な基材の張力補正が可能である。
また、本発明による二次電池の製造装置および製造方法は、基材にかかる張力を補正する必要がある時に、制御部がプロファイルに基づいて、その時のマンドレル回転量に応じて基材供給量を調節することによって、巻取り中に基材にかかる張力を一定に維持することができる。
本発明の実施例による二次電池の製造装置のブロック図である。 本発明の実施例による二次電池が円筒形電池の場合、マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルを示したグラフである。 本発明の実施例による二次電池が角型電池の場合、マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルを示したグラフである。 本発明の実施例による二次電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図４のグラフで示されたプロファイルを獲得する段階の一方法を説明するためのフローチャートである。 図４のグラフで示されたプロファイルを獲得する段階の他の方法を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の望ましい実施例について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施例による二次電池の製造装置のブロック図である。
図１を参照すれば、本発明の実施例による二次電池の製造装置１００は、一端に形成されて極板基材１０を供給する基材供給部１１０と、他端に形成されて前記基材１０を巻き取る巻取部１２０と、前記基材１０の供給および巻取りを制御する制御部１３０と、供給される基材１０にかかる張力を測定するダンサー１４０およびロードセル１５０と、基材１０の供給量を測定する基材供給量測定部１６０とを含むことができる。
前記基材供給部１１０は前記極板基材１０が巻かれているスプール（ｓｐｏｏｌ）に備えられたり、スプール（ｓｐｏｏｌ）に連結された駆動ローラに形成されたりすることができる。前記基材供給部１１０は回転によって前記基材１０が供給されるようにし、したがって、設定された一定の速度で基材１０を供給することができる。
前記巻取部１２０は前記基材１０を供給する基材供給部１１０の反対側に形成され、供給された基材１０をマンドレルによって一定の形状に巻き取る。前記巻取部１２０は、前記マンドレルの形状によって、極板基材１０を円筒形電池のための円筒形状に巻き取ったり、角型電池のためのフラット形状または楕円形状に巻き取ったりすることができる。そして、前記巻取部１２０は、前記基材１０の巻取り時に一定の張力をかけながら巻き取ることが最も重要である。
前記制御部１３０は前記基材供給部１１０と前記巻取部１２０を同時に制御し、それによって、巻き取られる基材１０に一定の張力をかけながら前記巻取部１２０に基材１０が巻き取られるようにする。
このために、前記制御部１３０は後述するように、まずその内部に、前記巻取部１２０におけるマンドレル回転量と前記基材供給部１１０からの基材供給量との間の関係を示すプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）を貯蔵する。前記制御部１３０は前記プロファイルに基づいて前記基材供給部１１０における基材供給量と前記巻取部１２０におけるマンドレル回転量とを同時に制御する。したがって、前記マンドレル回転量が高速に加速または減速しても基材供給部１１０の基材供給量も時間遅延なしに制御されるので、基材１０にかかる張力が変わらないことになる。また、予め貯蔵されているプロファイルを用いて制御が行われるため、別途のセンシングを必要とせず、そのため、センシングおよび信号伝達過程で発生し得るノイズおよび時間遅延を未然に防止することができる。したがって、本発明の実施例による二次電池の製造装置１００によれば、電極組立体を製造するにあたって、基材１０にかかる張力が一定に維持され、基材１０を外形不良なしに巻き取ることができる。
前記ダンサー１４０およびロードセル１５０は、本発明の実施例による二次電池の製造装置１００において、前記基材１０にかかる張力を測定する手段として用いられる。
前記ダンサー１４０には、前記第１ローラ１１によって前記基材１０の方向をほぼ反対方向に転換させて基材１０に張力が印加された状態で、前記基材１０が適用される。前記ダンサー１４０はバー（ｂａｒ）形状に構成されており、下部のローラ１４１によって前記基材１０の方向を再びほぼ反対方向に転換させるように適用され、前記下部は上部を回転軸として左右に回転可能であるように形成される。また、前記ダンサー１４０は、前記基材１０にかけられた張力によって下部が回転して、前記基材１０に一定の張力が印加されるようにすることができる。また、前記ダンサー１４０は回転軸となる上部に回転角測定センサー１４２を含んでおり、前記下部の回転角度を測定することによって、前記基材１０の張力を測定することができる。
前記ロードセル１５０には、前記基材１０が前記ダンサー１４０から第２ローラ１２を通って適用される。また、前記ロードセル１５０は、図示されているように３個のローラ１５１乃至１５３によって基材１０の方向を転換させる。特に、前記ローラのうち、前後段のローラ１５１、１５３はその上部に基材１０が通過するように位置し、中段のローラ１５２はその下部を通して基材１０が通過するように位置しており、中段のローラ１５２の下部に弾性部材１５４を形成することができる。したがって、前記基材１０にかけられた張力に応じて前記弾性部材１５４に加わる力が変動することになり、これに基づいて、前記ロードセル１５０は前記基材１０の張力を測定することができる。
前記基材供給量測定部１６０は、前記基材１０が前記ロードセル１５０から第３ローラ１３を通って適用され、前記巻取部１２０の直前（基材１０の移送方向における上流側）に位置する。前記基材供給量測定部１６０はエンコーダ（ｅｎｃｏｄｅｒ）で構成されることができる。前記基材供給量測定部１６０は供給される基材１０の量を測定することができる。前記基材供給量測定部１６０は本発明の実施例による二次電池の製造装置１００において、初期設定で前記マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルを確保するのに使用される。より具体的には、前記基材供給量測定部１６０は、前記巻取部１２０のマンドレルを一定の角度で回転させながら前記マンドレルの直前で前記基材供給部１１０から適用された基材１０の長さを測定する。そして、前記マンドレル回転量と基材供給量のデータによって獲得されたプロファイルを前記制御部１３０が貯蔵することになる。また、前述したように、前記制御部１３０は貯蔵された前記プロファイルに基づいて、前記巻取部１２０におけるマンドレル回転量と前記基材供給部１１０における基材供給量を同時に制御し、これによって、基材１０にかかる張力を一定に維持しながら基材１０を巻き取って電極組立体を製造することが可能となる。
以下、本発明の実施例による二次電池の製造装置においてマンドレル回転量と基材供給量との関係を示すのプロファイルについて説明する。
図２は本発明の実施例による二次電池が円筒形電池の場合の、マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルを示した図である。図３は本発明の実施例による二次電池が角型電池の場合の、マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルを示した図である。
図２を参照すれば、本発明の実施例による二次電池が円筒形電池の場合、マンドレル回転量であるマンドレル回転角（グラフのｘ軸）に対する単位供給量（グラフの右側、ｙ軸）は、回転角３６０度の倍数毎に、マンドレル回転角が増加するのに従って段階的に増加する傾向を有する。これは、マンドレルが円筒形に形成されており、前記基材１０の厚さによって１回転当たりの巻取りのための円周が順次に段階的に増加するためである。また、マンドレル回転角（グラフのｘ軸）に対する累積供給量（グラフの左側、ｙ側）はほぼ比例する形態のプロファイルが生成される。ただし、累積供給量で前記マンドレル回転角が３６０度の倍数で段階的に円周が増加するので累積供給量のプロファイルはマンドレル回転角と円周の増加分を共に反映して増加することになる。もちろん、基材１０の厚さは非常に薄いため、累積供給量（グラフの左側、ｙ側）はほぼ直線形状を有する。
一方、図３を参照すれば、本発明の実施例による二次電池が角型電池の場合、マンドレル回転角（グラフのｘ軸）に対する単位供給量（グラフの右側、ｙ側）は１回転（回転角０度乃至３６０度）でほぼ２種類の放物線からなる波形の形態を有するように変化する。これはマンドレルがほぼフラット（ｆｌａｔ）な形態に形成されているため、マンドレルが０度から３６０度まで回転することによって巻き取られる基材１０の長さが変わるためである。ここで、放物線の上限点はマンドレルの形状で長辺の中心に該当し、放物線の下限点はマンドレルの短辺に該当する。また、マンドレル回転角（グラフのｘ軸）に対する累積供給量（グラフの左側、ｙ側）は前記単位供給量（グラフの右側、ｙ側）を１回転単位で累積して前記マンドレルが回転することによって順次に増加する傾向を有する。もちろん、この場合にも前記基材１０の厚さがあるため、マンドレルの回転時に基材供給量には増加分が反映されるが、基材１０の厚さが非常に薄いので累積供給量はほぼ前記マンドレルの１回転単位で繰り返される形状を有する。
以下、本発明の実施例による二次電池の製造方法について説明する。
図４は本発明の実施例による二次電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。図５は図４におけるマンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルの獲得段階の一つの方法を説明するためのフローチャートである。図６は図４におけるマンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルの獲得段階の他の方法を説明するためのフローチャートである。
まず、図４を参照すれば、本発明の実施例による二次電池の製造方法は、マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルを獲得する段階（Ｓ１）、プロファイルに基づいて前記マンドレルおよび基材供給部を同期駆動する段階（Ｓ２）、供給された基材にかかる張力のモニタリングを行う段階（Ｓ３）、および基材供給量を調節する段階（Ｓ４）を含むことができる。
マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルの獲得段階（Ｓ１）は、本発明の実施例による二次電池の製造装置１００で制御部１３０が巻取部１２０のマンドレルを一定の角度で回転させながら基材供給量測定部１６０によって供給されている基材１０の供給量を測定して、両者間の関係データを得てプロファイルを獲得する段階である。
より具体的に、マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルの獲得段階（Ｓ１）は、図５に示された段階を通して連続的な測定をすることによって行うことができる。前記段階ではまず、前記巻取部１２０のマンドレルを正位置させ（Ｓ１１）、前記ダンサー１４０またはロードセル１５０をフィードバックモード（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｍｏｄｅ）に設定する（Ｓ１２）。前記フィードバックモードで前記ダンサー１４０および前記ロードセル１５０は前記基材１０に印加される張力が一定に維持されるようにすることができ、一定の張力を維持するために変化量により前記基材供給部１１０の回転を制御することができる。
また、前記巻取部１２０のマンドレル角度および基材供給量測定部１６０の情報をリセットして初期化し（Ｓ１３）、マンドレルを一定の速度で連続的に回転させる（Ｓ１４）。
また、前記基材供給量測定部１６０は、前記巻取部１２０の直前で、供給される基材１０の長さをモニタリングし（Ｓ１５）、最終的に制御部１３０は、供給された基材量とマンドレル回転角の間の関係データを測定して（Ｓ１６）、プロファイルを獲得することになる。
一方、マンドレル回転量と基材供給量との関係を示すプロファイルの獲得段階（Ｓ１）は、図６に示された段階を通して間歇的な測定をすることによって行うこともできる。
まず、前記巻取部１２０のマンドレルを正位置させ（Ｓ１１）、前記ダンサー１４０またはロードセル１５０をフィードバックモード（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｍｏｄｅ）に設定し（Ｓ１２）、前記巻取部１２０のマンドレル角度および基材供給量測定部１６０の情報をリセットして初期化する段階（Ｓ１３）は、連続的な測定による図５に示す方法と同じである。
ただし、間歇的な測定による方法では、以降、巻取部１２０のマンドレルを一定の角度で回転させた後に停止させ（Ｓ１４）、供給された基材１０の長さ（基材供給量）をモニタリングする（Ｓ１５）。ここで、前記基材１０の長さのモニタリングは前記基材供給量測定部１６０によって行うことができ、場合によっては、前記基材供給部１１０のローラ直径に回転角度をかけた数値として算出することも可能である。
また、制御部１３０は、供給された基材量とマンドレル回転角の間の関係データを測定し（Ｓ１６）、前記段階（Ｓ１４乃至Ｓ１６）を繰り返して、最終的なプロファイルを獲得することになる。
また、前述のように前記プロファイルは二次電池の種類によって図２または図３のような形態を持つことになる。
前記マンドレルおよび基材供給部を同期駆動する段階（Ｓ２）は、獲得されたプロファイルに基づいて、制御部１３０が前記巻取部１２０のマンドレルと前記基材供給部１１０を同期駆動する段階である。本段階は既存のフィードバック方式ではないため、基材１０の張力センシングから実際に基材供給を制御するまでの時差を考慮する必要がなく、すぐに正確な制御が可能である。
前記供給された基材にかかる張力のモニタリングを行う段階（Ｓ３）は、基材１０の巻取り中に、制御部１３０が、ロードセル１５０を介して基材１０にかかる張力をモニタリングする段階である。したがって、前記制御部１３０は、巻取り中に前記基材１０にかかる張力が一定の状態であるかどうかをモニタリングすることができる。
前記基材供給量を調節する段階（Ｓ４）は、前記基材１０にかかる張力を一定に維持するために、前記基材供給量を調節する段階である。もし、巻取り過程で必要に応じて基材１０の張力を変動させる（補正する）必要がある場合には、前記制御部１３０は、その時の巻取部１２０のマンドレル角度を確認し、そのマンドレル角度にマッチングされる前記基材供給部１１０の単位供給量になるように基材供給部における基材供給量を微調節する。例えば、張力を高める場合には、前記基材の単位供給量を減少させ、張力を下げる場合には、前記単位供給量を増加させる。
以上の説明は、本発明による二次電池の製造装置および製造方法を実施するための一つの実施例に過ぎないものであって、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲において請求するように、本発明の要旨を逸脱することなく当該発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な変更実施が可能な範囲にまで本発明の技術的精神がいるとみなされる。
１００ 二次電池の製造装置
１１０ 基材供給部
１２０ 巻取部
１３０ 制御部
１４０ ダンサー
１５０ ロードセル
１６０ 基材供給量測定部

Claims (16)

  1. 基材を供給する基材供給部と、
    マンドレルによって前記基材を巻き取る巻取部と、
    前記基材供給部における基材供給量および前記巻取部におけるマンドレル回転量を制御する制御部と、を含み、
    前記制御部は、前記マンドレル回転量と前記基材供給量との関係を示すプロファイルを貯蔵し、前記プロファイルに基づいて前記基材供給量と前記マンドレル回転量とを同期制御することを特徴とする二次電池の製造装置。
  2. 前記プロファイルは、前記マンドレル回転量に応じた円周の変化量を反映した前記基材供給量からなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の製造装置。
  3. 前記基材にかかる張力を測定する張力測定部が、前記基材供給部と前記巻取部の間にさらに形成されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の製造装置。
  4. 前記張力測定部はダンサーまたはロードセルのうち選択されたいずれか一つまたはこれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項３に記載の二次電池の製造装置。
  5. 前記基材供給部と前記巻取部の間に前記基材供給量を測定する基材供給量測定部がさらに形成されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の製造装置。
  6. 前記基材供給量測定部はエンコーダを含む構成となっていることを特徴とする請求項５に記載の二次電池の製造装置。
  7. 前記制御部は、前記基材にかかる張力を補正するために、前記マンドレル回転量に応じた基材供給量を基準に前記基材供給部における基材供給量を調節することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の製造装置。
  8. 前記二次電池が円筒形電池であり、前記プロファイルが、前記マンドレル回転量が増加するのに従って段階的に増加する、マンドレル１回転当たりの前記基材の単位供給量を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の製造装置。
  9. 前記二次電池が角型電池であり、前記プロファイルが、２種類の放物線からなる波形を呈する、マンドレル１回転当たりの前記基材の単位供給量を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の製造装置。
  10. 供給された基材を巻き取って形成された電極組立体を含む二次電池を製造する方法において、
    前記基材を巻き取る巻取部におけるマンドレル回転量と前記基材を供給する基材供給部における基材供給量との関係を示すプロファイルを獲得する段階、および
    前記プロファイルに基づいて前記マンドレルと基材供給部を同期駆動する段階を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。
  11. 前記プロファイルを獲得する段階は、前記マンドレルを予め設定された角度で回転させることによって前記基材供給部からの基材供給量を測定してなることを特徴とする請求項１０に記載の二次電池の製造方法。
  12. 前記プロファイルを獲得する段階は、前記マンドレルを連続的に回転させながら基材供給量測定部によって前記基材供給量を測定することを特徴とする請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
  13. 前記プロファイルを獲得する段階は、前記マンドレルを予め設定された角度で回転させながら、前記基材供給部のローラ直径に回転角度をかけて前記基材供給量を測定する段階を繰り返してなることを特徴とする請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
  14. 特定時点で前記基材にかかる張力を補正するために、前記プロファイルに基づいて前記特定時点でのマンドレル回転量に応じた基材供給量を算出し、算出された基材供給量を基準に前記基材供給部における基材供給量を調節する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
  15. 前記二次電池が円筒形電池であり、前記プロファイルが、前記マンドレル回転量が増加するのに従って段階的に増加する、マンドレル１回転当たりの前記基材の単位供給量を含むことを特徴とする請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
  16. 前記二次電池が角型電池であり、前記プロファイルが、２種類の放物線からなる波形を呈する、マンドレル１回転当たりの前記基材の単位供給量を含むことを特徴とする請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
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