KR100635707B1 - 이차 전지용 전극판 권취장치 - Google Patents

이차 전지용 전극판 권취장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 이차 전지용 전극판 권취장치는 그 외면에 각각 제1,2전극탭이 부착된 제1,2전극판과 세퍼레이터가 권취되어 전극 조립체를 형성하는 맨드릴과, 전극 조립체를 이송시키는 이송유닛 및 이송유닛에 위치되어 제1,2전극탭의 부착위치를 감지하는 위치감지유닛을 포함하므로 전극판에 부착된 전극탭의 위치 및 길이가 달라지면 이를 감지하여 보정할 수 있도록 함으로써, 전극 조립체의 생산 불량을 줄여주는 이점이 있다.
이차 전지, 전극판, 전극탭, 권취장치

Description

이차 전지용 전극판 권취장치 { Electrode plate rolling Device for Secondary battery }
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 전극판을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 이차 전지용 전극판 권취장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 이차 전지용 전극판 권취장치의 동작을 도시한 순서도이다.
도 5 및 도 6a 내지 6d는 본 발명을 이용한 공정 라인에 의한 공정 능력(Cpk) 그래프 및 각 호기별 양품율표.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
100 : 맨드릴 101 : 삽지홈
150 : 고정테이프 170 : 커터부
200 : 전극 조립체 210 : 제1전극판
215 : 제2전극탭 220 : 제2전극판
225 : 제2전극탭 230 : 세퍼레이터
400 : 위치감지유닛 410 : 촬상부
420 : 비교부 430 : 표시부
440 : 알람발생부 510 : 이송유닛
본 발명은 전극판 권취장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지에 수용되는 전극 조립체를 구성하는 전극판을 권취시키는 이차 전지용 전극판 권취장치에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충ㆍ방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차 전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 리튬 이차 전지는 제1,2전극판 그리고, 제1전극판 및 제2전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
양극 또는 음극을 띠는 제1,2전극판은 기판상에 활물질을 도포한 후, 이를 건조하여 압연한 다음 일정 크기에 맞추어 절단되고, 절단된 제1,2전극판은 세퍼레이터와 함께 권취되어 전극 조립체를 이룬다. 이때, 극성을 갖는 제1,2전극판에는 전극 조립체의 외측으로 인출되는 제1,2전극탭이 부착되어 제1,2전극판이 갖는 극성을 전달시킨다.
이에, 권취장치는 제1,2전극판에 각각 제1,2전극탭을 부착시키고, 맨드릴의 외면에 제1,2전극판 및 세퍼레이터를 권취시키켜 전극 조립체를 완성한다.
여기서, 제1,2전극탭은 제1,2전극판에 부착되되 활물질층이 코팅되지 않은 무지부에 부착된다. 여기서, 제1,2전극탭은 무지부의 일정한 위치에 부착되어야 한 다.
그런데, 이러한 종래의 권취장치에서 맨드릴에 권취되는 제1,2전극판의 위치가 조금만 바뀌어도 제1,2전극판에 각각 부착되는 제1,2전극탭이 일정한 위치와 길이로 부착되지 않는 문제점이 있다.
즉, 제1,2전극탭은 제1,2전극판에 각각 일정한 위치에 일정한 길이로 부착되지 않으면, 맨드릴에 의해 젤리-롤(Jelly-roll) 형태로 권취되었을 때, 제1,2전극탭은 각각의 전극단자와 연결될 수 없는 위치에 부착되는 문제점이 있다.
이에, 상기와 같이 형성된 전극 조립체는 케이스에 수납되어 이차 전지가 완성되면, 전극단자와 제1,2전극탭이 연결되지 않아 그 성능이 불량해 지는 문제점이 있다.
또한, 권취장치에서는 제1,2전극판이 이송되면서 제1,2전극탭이 부착되므로 제1,2전극탭의 부착위치가 달라지면 다음 부착되는 제1,2전극탭의 위치도 달라지므로 이후에 형성되는 전극 조립체는 모두 불량 상태가 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전극탭이 항상 일정한 위치에 일정한 길이로 전극판에 부착되어 전극 조립체의 불량을 방지하는 이차 전지용 전극판 권취장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 그 외면에 각각 제1,2전극탭이 부착된 제1,2전극판과 세퍼레이터를 권취하여 젤리-롤을 형성하는 맨드릴과, 상기 전극 조립체를 이송시키는 이송유닛 및 상기 이송유닛에 위치되어 상기 제1,2전극탭의 부착위치를 감지하는 위치감지유닛을 포함하는 이차 전지용 전극판 권취장치를 제공한다.
상기 위치감지유닛은 상기 제1,2전극탭이 부착된 상기 전극 조립체를 촬상하는 촬상부와, 상기 촬상부에서 촬상된 상기 전극 조립체와 기준 전극 조립체를 비교하는 비교부를 포함한다.
상기 비교부에는 상기 촬상부에서 촬상된 상기 전극 조립체와 상기 전극 조립체의 비교상태를 표시하는 표시부가 추가로 설치될 수 있다.
상기 표시부에는 상기 촬상부에서 촬상된 젤리-롤과 상기 기준 젤리-롤이 같지 않으면 알람을 발생시키는 알람부가 추가로 더 설치될 수 있다.
상기 이송유닛은 컨베이어인 것이 좋다.
상기 이송유닛에는 상기 전극 조립체를 가압하는 프레스가 추가로 설치될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 이차 전지용 전극판 권취장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 전극판을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 이차 전지용 전극판 권취장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 이차 전지는 일측이 개구된 케이스(201)와, 케이스(201)의 내부에 수용되는 전극 조립체(200)와, 케이스(201)의 개구부에 결합되어 케이스(201)를 마감하는 캡 조립체(300)로 이루어진다.
여기서, 케이스(201)는 원통형이나 각형 또는 파우치형으로 형성될 수 있다.
전극 조립체(200)는 제1전극탭(215)이 부착된 제1전극판(210), 제2전극탭(225)이 부착된 제2전극판(220) 및 상기 제1전극판(210)과 제2전극판(220) 사이에 개재된 세퍼레이터(230)가 권취장치에 의해 권취되어 이루어진다.
권취장치는 전극 조립체(200)를 형성하기 위한 것이다. 전극 조립체(200)는 제1전극판(210), 제2전극판(220) 및 세퍼레이터(230)가 각각 한 장의 스트립(strip)으로 이루어져, 세퍼레이터(230), 제1전극판(210), 세퍼레이터(230), 제2전극판(220)의 순으로 배치되어, 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취된다. 제1,2전극판(210,220)에는 각각의 무지부에 제1,2전극탭(215,225)이 부착된다. 전극 조립체(200)의 최외곽면에는 고정테이프(150)가 부착되어 젤리롤 형으로 권취된 전극 조립체(200)가 풀리지 않도록 전극 조립체(200)를 고정시킨다.
제1전극판(210)은 양극일 수 있으며, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 제1전극집전체의 양면에 제1활물질층(217)이 코팅된다. 이때, 제1전극판(210)은 제1활물질층(217)이 코팅되지 않는 제1무지부(219)를 가지며, 제1무지부(219)에는 소정의 위치에 부착되되 소정의 길이로 제1전극판(210)의 외측에 돌출되게 제1전극탭(215)이 부착된다.
제2전극판(220)은 음극일 수 있으며, 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 제2전극집전체의 양면에 코팅된 제2활물질층(227)을 포함하고 있다. 제2전극판(220)은 제1전극판(210)과 같이 제2활물질층 (227)이 코팅되지 않는 제2무지부(229)를 가지며, 제2무지부(229)에는 소정의 위치에 부착되되 소정의 길이로 제2전극판(20)의 외측에 돌출되게 제2전극탭(225)이 부착된다.
상기 세퍼레이터(230)는 제1전극판(210)과 제2전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이차 전지(100)의 전하(charge), 예를 들면 리튬 이온의 이동만 가능하게 한다. 세퍼레이터(230)는 제1전극판(210) 및 제2전극판(220)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 제1전극판(210) 및 제2전극판(220) 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
이러한 전극 조립체(200)를 형성하는 권취장치는 전극 조립체(200)를 구성하는 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)가 공급되는 각각의 공급부(210a,220a,230a)와, 제1,2전극판(210,220)에 제1,2전극탭(215,225)을 부착시키는 전극탭 부착부(215a,225a)와, 제1,2전극탭(215,225)이 부착된 제1,2전극판(210,220)과 세퍼레이터(230)를 그 외면에 권취시키는 맨드릴(100)과, 권취된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)를 소정의 길이로 커팅시키는 커터부(170)와, 맨드릴(100)에서 분리된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)를 이송시키는 이송유닛(510) 그리고, 이송유닛(510)에 위치되어 전극 조립체(200)의 제1,2전극탭(215,220)의 부착위치를 감지하는 위치감지유닛(400)을 포함한다.
공급부(210a,220a,230a)는 제1,2전극판(210,220)이 권취된 제1전극판 공급부(210a)와, 제2전극판(220)이 권취된 제2전극판 공급부(220a) 및 세퍼레이터 공급부(230a)로 이루어진다. 이때, 각각의 공급부(210a,220a,230a)는 제1전극판(210)과 제2전극판(220) 사이에 세퍼레이터(230)가 개재되도록 배치된다.
제1전극판 공급부(210a)와 제2전극판 공급부(220a)에는 소정의 간격을 두고 공급부(210a,220a)에 권취된 제1,2전극판(210,220)들이 권출될 때 제1,2전극탭(215,225)이 부착될 수 있도록 제1,2전극탭 부착부(215a,225a)가 설치된다.
커터부(170)는 각각의 공급부(210a,220a,230a)에서 권출되는 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)들을 소정의 길이로 커팅한다. 즉, 커터부(170)는 제1,2전극탭(215,225)이 부착된 제1,2전극판(210,220)과 세퍼레이터(230)들을 하나의 전극 조립체(200)를 구성하기 위한 길이로 커팅한다.
커터부(170)의 일측에는 제1,2전극판(210,220)의 커팅된 면을 고정시키기 위한 고정테이프(150)가 설치된다.
맨드릴(100)은 회전하면서 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)들을 권취시키는 것으로서, 그 횡단면이 대략 타원형을 이루는 몸체부(103)와, 몸체부(103)를 회전시키는 회전구동부(미도시)와, 몸체부(103)의 장축에 형성되어 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)들의 끝단이 삽입되게 형성된 삽지홈(101)을 포함한다.
이송유닛(510)은 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)가 맨드릴(100)에서 권취된 후 분리되면 이를 이송하기 위한 것으로서, 컨베이어가 될 수 있다.
위치감지유닛(400)은 제1,2전극탭(210,220)이 부착된 젤리-롤형 전극 조립체(200)를 촬상하는 촬상부(410)와, 촬상부(410)에서 촬상된 전극 조립체(200)의 영상을 전송받아 미리 입력된 기준 전극 조립체(200)와 비교하는 비교부(420)를 포함 하여 이루어진다.
비교부(420)는 촬상부(410)에서 촬상된 전극조립체(200)와 기준 전극 조립체(200)의 비교 상태를 표시하는 표시부(430)가 추가로 설치되며, 표시부(430)에는 촬상부(410)에서 촬상된 전극 조립체(200)와 기준 전극 조립체(200)가 같지 않으면 알람을 울리는 알람발생부(440)가 추가로 더 설치된다.
한편, 맨드릴(100)에 의해 권취되어 형성된 전극 조립체(200)는 원통형이나 각형 또는 파우치형 케이스(201)에 수납될 수 있다.
여기서, 각형 또는 파우치형 케이스(201)에 수납되는 전극 조립체(200)는 젤리-롤형으로 권취된 후, 케이스(201)에 수납시키기 위해 프레스(500)에 의해 가압시켜야 한다. 즉, 프레스(500)는 맨드릴(100)에서 젤리-롤형으로 권취된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)가 권취된 전극 조립체(200)를 맨드릴(100)과 분리한 후, 각형 또는 파우치형 케이스(201)에 수납될 수 있도록 전극 조립체(200) 가압하도록 구성된다.
이하에서는 본 발명에 따른 이차 전지용 전극판 권취장치의 작동을 설명한다.
먼저, 각각의 공급부(210a,220a,230a)는 제1,2전극판(210,220)과 세퍼레이터(230)를 권출시킨다.
권출된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)는 제1,2전극탭 부착부(215a,225a)에 의해 제1,2무지부(219,229)에 각각 제1,2전극탭(215,225)이 부착된다.
제1,2전극탭(215,225)이 부착된 제1,2전극판(210,220)과 세퍼레이터(230)는 커터부(170)측을 지나 맨드릴(100)측으로 인입된다.
제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)의 끝단은 맨드릴(100)의 장축에 형성된 삽지홈(101)에 삽입되어 맨드릴(100)이 회전구동부에 의해 회전되면 그 외면에 권취된다.
맨드릴(100)에 의해 권취된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)는 커터부(400)에 의해 소정의 길이를 갖도록 커팅된다.
제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)가 권취되어 커터부(170)에 의해 커팅되면, 권취된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)의 커팅된 부분은 일측에 배치된 고정테이프 공급부(150)에서 공급된 고정테이프(150)가 부착되어 전극 조립체(200)를 이룬다.(S600)
다음, 전극 조립체(200)는 케이스(201)에 수납되기 위해 이송유닛(510)에 의해 이송된다. 이때, 촬상부(410)는 이송유닛(510)을 지나는 전극 조립체(200)를 촬상한다.(S610)
촬상된 전극 조립체(200)의 영상은 비교부(420)로 전송되고, 비교부(420)는 전송받은 전극 조립체(200)의 영상과 미리 입력된 기준 전극 조립체(200)의 영상을 비교한다. 즉, 비교부(420)는 전극 조립체(200)에 부착된 제1,2전극탭(215,225)의 위치가 기준 전극 조립체(200)의 영상과 동일한지 여부를 판단한다.(S620)
비교부(420)는 촬상된 전극 조립체(200)의 제1,2전극탭(215,225)의 위치 및 길이가 기준 전극 조립체(200)와 동일하지 않은 경우, 표시부(430)로 경고 신호를 전송한다.(S630)
또한, 표시부(430)에 경고신호가 전송되어 경고화면이 표시되면, 알람발생부(440)는 작동되어 알람을 발생시킨다.(S640)
알람발생부(440)가 작동되면, 작업자는 맨드릴(100)의 구동을 정지시킨다.(S650)
작업자는 맨드릴(100)의 구동이 정지되면, 맨드릴(100)에 권취되는 제1,2전극판(210,220)의 이송위치를 보정한다. 제1,2전극판(210,220)의 위치가 보정되면, 맨드릴(100)은 다시 작동되어 전극 조립체(200)를 형성한다.(S660)
한편, 촬상부(410)에서 촬상된 전극 조립체(200)의 영상이 기준 전극 조립체(200)의 영상과 동일하면, 전극 조립체(200)는 케이스(201)에 수납된다. 이때, 전극 조립체(200)는 각형이나 파우치형 이차 전지를 형성할 경우, 각형이나 파우치형 케이스(201)에 수납될 수 있도록 프레스(500)에서 가압된다.(S670)
전극 조립체(200)가 케이스(201)에 수납되면, 케이스(201)는 캡 조립체(300)에 의해 마감되어 이차 전지를 완성한다.(S680)
본 발명에 따르면, 이차 전지용 전극판 권취장치는 위치감지유닛에 의해 전극판에 부착된 전극탭의 위치 및 길이가 달라지면 이를 감지하여 보정할 수 있도록 함으로써, 전극 조립체의 생산 불량을 줄여주는 이점이 있다.
이와 같은 본 발명이 적용된 공정 라인상에서 전극탭의 위치 및 길이에 따른 보정에 의한 양품 제조의 효과는 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같다.
즉, 도 5는 음극탭의 돌출길이 권취호기별 공정 능력(Cpk) 추이 현황그래프로서, 기존 라인에 비하여 1개소를 제외하고는 모두 1.0 보다 높게 나타났다.
또한, 이러한 도 5의 그래프를 도표화한 표가 도 6에 나타나 있는데, 이는 불량수를 현저하게 줄이면서 양품율을 극대화시킴을 볼 수 있다.

Claims (6)

  1. 각각 제1,2전극탭이 부착된 제1,2전극판과 세퍼레이터를 권취하여 전극 조립체를 형성하는 맨드릴;
    상기 전극 조립체를 이송시키는 이송유닛인 컨베이어;
    상기 이송유닛에 위치되고 상기 제1,2전극탭이 부착된 상기 전극 조립체를 촬상하는 촬상부와 상기 촬상부에서 촬상된 상기 전극 조립체와 기준 전극 조립체를 비교하는 비교부를 포함하여 상기 제1,2전극탭의 부착위치를 감지하는 위치감지유닛; 및
    상기 비교부와 연결되어 상기 촬상부에서 촬상된 상기 전극 조립체 및 상기 전극 조립체의 비교상태를 표시하는 표시부;를 포함하는 이차 전지용 전극판 권취장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 표시부에는 상기 촬상부에서 촬상된 상기 전극 조립체와 상기 기준 전극 조립체가 같지 않으면 알람을 발생시키는 알람발생부가 추가로 더 연결설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판 권취장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 이송유닛에는 상기 전극 조립체를 가압하는 프레스가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판 권취장치.
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