KR100686825B1 - 이차 전지용 극판 권취장치 - Google Patents

이차 전지용 극판 권취장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 이차 전지용 극판 권취장치는 극성을 갖는 활물질층이 도포된 제1,2전극판과 세퍼레이터를 권취시키는 권취용 맨드릴에 있어서,횡단면이 타원형이되 두 부분으로 나뉘어지며, 나뉘어진 한 부분의 곡면은 적어도 두 부분의 곡률이 다르게 형성된 몸체부와, 몸체부를 두 부분으로 나뉘는 기준이 되도록 몸체부의 중심부에 형성된 삽지홈을 포함하므로 맨드릴에 전극판이 권취될 때 회전되는 맨드릴과 권취되는 전극판 사이에는 응력이 한곳으로 집중되는 것이 방지되는 이점이 있다.
맨드릴, 권취장치

Description

이차 전지용 극판 권취장치 { Electrode plate rolling Device for Secondary battery }
도 1은 종래의 맨드릴에 권취된 전극 조립체를 도시한 상면도,
도 2는 본 발명에 따른 맨드릴이 적용된 권취기의 일부를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 맨드릴에 전극판이 권취된 것을 도시한 횡단면도,
도 4는 본 발명에 따른 권취장치의 맨드릴을 도시한 사시도이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
100 : 맨드릴 101 : 삽지홈
103a : 제1몸체부 103b : 제2몸체부
103 : 몸체부 200 : 전극조립체
본 발명은 이차 전지용 극판 권취장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 이차 전지에서 전극 조립체를 구성하는 극판을 권취시키는 이차 전지용 극판 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 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 및 케이스를 마감하는 캡 조립체를 포함한다.
전극 조립체는 양극판과 음극판, 그리고 양극판과 음극판 사이에 개재되어 쇼트를 방지하며 전해액 또는 이온의 이동이 가능한 세퍼레이터를 권취시켜 이루어진다.
이때, 전극 조립체는 중심부에 삽지홈이 형성되어 회전하는 맨드릴에 의해 권취된다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이 맨드릴(20)은 그 상면이 타원형으로 형성된 타원기둥 형상의 몸체(21)와 몸체(21)의 중심부에 형성된 삽지홈(23)을 포함한다.
삽지홈(23)에는 제1극판(12)과 제2극판(14) 그리고 세퍼레이터(16)가 적층된 끝단이 삽입된다. 다음, 몸체(21)가 회전되면 적층된 극판(12,14) 및 세퍼레이터(16)는 몸체(21)의 외면에 권취되고, 권취된 끝단은 고정테이프(18)에 의해 마감처리된다.
그런데, 이러한 종래의 권취용 맨드릴(20)은 몸체(21)가 회전될 때 극판(12,14) 및 세퍼레이터(16)가 각각 빗감기는 현상이 발생된다.
즉, 전극 조립체(10)를 구성하는 제1,2극판(12,14) 그리고, 세퍼레이터(16)는 각각 권취된 더미에서 그 끝단이 모아져 삽지홈(23)에 삽입되어 맨드릴(20)이 회전함에 따라 권취되므로 전극판(12,14,16)중 어느 하나라도 유동되면 권취된 전극 조립체(10)의 상/하면이 고르지 않게 된다.
이차 전지는 전극 조립체(10)의 상/하면이 고르지 않으면, 음극판 또는 양극 판이 접촉되어 쇼트가 발생할 수 있으므로 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 맨드릴에 의해 권취되는 극판의 빗감김을 방지하는 이차 전지용 극판 권취장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 극성을 갖는 활물질층이 도포된 제1,2전극판과 세퍼레이터를 권취시키는 권취용 맨드릴에 있어서, 횡단면이 타원형이되 두 부분으로 나뉘어지며, 나뉘어진 한 부분의 곡면은 적어도 두 부분의 곡률이 다르게 형성된 몸체부와, 상기 몸체부를 두 부분으로 나뉘는 기준이 되도록 상기 몸체부의 중심부에 형성된 삽지홈을 포함하는 이차 전지용 극판 권취장치를 제공한다.
상기 몸체부는 상기 삽지홈을 중심으로 간격을 두고 부정합을 이루도록 형성될 수 있다.
상기 몸체부의 나뉘어진 두 부분은 동일하게 형성될 수 있다.
상기 몸체부에는 상기 삽지홈에 삽입된 상기 극판이 상기 몸체부의 나뉘어진 부분의 일측과 중심측와 타측 순으로 순차적으로 접촉되는 것이 좋다.
상기 몸체부의 곡률은 상기 몸체부의 일측(R1)과 타측(R2)이 각각 다른 곡률을 갖도록 하는 형성될 수 있으며, 상기 몸체부의 곡률은 상기 몸체부의 타측(R2) 곡률이 상기 몸체부의 일측(R1) 곡률보다 크게 형성될 수 있다.
상기 몸체부의 곡률은 상기 몸체부의 일측(R1)과 타측(R2) 그리고, 중심측(R3)이 각각 다르게 형성될 수 있다.
상기 몸체부의 중심측(R3)의 곡률은 상기 몸체부의 타측(R2)의 곡률보다 작고 상기 몸체부의 일측(R1)의 곡률보다 크게 형성될 수 있다.
삭제
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차 전지의 극판 권취용 맨드릴을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 맨드릴이 적용된 권취기의 일부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 맨드릴에 전극판이 권취된 것을 도시한 횡단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 권취장치의 맨드릴을 도시한 사시도이다.
이들 도면을 참조하면, 리튬 이차 전지를 구성하기 위한 전극 조립체(200)는 제1전극탭(미도시)이 부착된 제1전극판(210), 제2전극탭(미도시)이 부착된 제2전극판(220) 및 상기 제1전극판(210)과 제2전극판(220) 사이에 개재된 세퍼레이터(230,230a)가 권취된 형태로 이루어져 있다.
즉, 전극 조립체(200)는 제1전극판(210), 제2전극판(220) 및 세퍼레이터(230,230a)가 각각 한 장의 스트립(strip)으로 이루어져, 세퍼레이터(230), 제1전극판(210), 세퍼레이터(230a), 제2전극판(220)의 순으로 배치되어, 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취된다. 전극 조립체(200)의 최외곽면에는 고정테이프 (250)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 코팅된 제1활물질층을 포함하고 있다. 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
제2전극판(220)은 음극일 수 있으며, 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 제2전극집전체의 양면에 코팅된 제2활물질층을 포함하고 있다. 제2활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
상기 세퍼레이터(230,230a)는 제1전극판(210)과 제2전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이차 전지(100)의 전하(charge), 예를 들면 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 것으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리플로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 세퍼레이터(230,230a)는 제1전극판(210) 및 제2전극판(220)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것 이 제1전극판(210) 및 제2전극판(220) 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
이에 권취장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(200)를 구성하는 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)가 공급되는 각각의 공급부(120,130,130a,140)와, 공급된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)를 소정의 길이로 커팅시키는 커터부(400)와, 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)를 권취시키는 맨드릴(100) 그리고, 각각의 공급부(120,130,130a,140)에서 권출되는 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)의 이송을 안내하는 이송롤러(500)를 포함한다.
공급부(120,130,130a,140)는 제1,2전극판(210,220)이 권취된 제1전극판 공급부(210)와, 제2전극판(220)이 권취된 제2전극판 공급부(140) 및 세퍼레이터 공급부(130,130a)로 이루어진다. 이때, 각각의 공급부(120,130,130a,140)는 제1전극판(210)과 제2전극판(220) 사이에 세퍼레이터(230,230a)가 개재된다.
제1전극판 공급부(120)와 제2전극판 공급부(140)에는 각각의 공급부(120,140)와 소정의 간격을 두고 공급부(120,140)에 권취된 제1,2전극판(210,220)들이 권출될 때 제1,2전극탭이 부착될 수 있도록 전극탭 부착부(217,227)가 설치된다.
커터부(400)는 각각의 공급부(120,130,130a,140)에서 권출되는 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)들을 소정의 길이로 커팅한다. 즉, 커터부(400)는 각각의 전극판들(210,220,230,230a)을 하나의 전극 조립체(200)를 구성하기 위한 길이로 커팅한다.
맨드릴(100)은 회전하면서 전극판을 권취시키는 것으로서 몸체부(103)와, 몸체부(103)의 중심부에 형성된 삽지홈(101)으로 이루어진다. 여기서, 삽지홈(101)의 대략 그 횡단면이 타원형인 몸체부(103)의 장축에 형성된다.
몸체부(103)의 횡단면은 적어도 세부분의 곡률이 각각 다르게 형성될 수 있다. 이를 테면, 도 3에 도시된 바와 같이, 몸체부(103)는 삽지홈(101)을 기준으로 제1몸체부(103a)와 제2몸체부(103b)로 나눌수 있다. 여기서, 제1몸체부(103a)와 제2몸체부(103b)는 동일한 형태로 형성되어 삽지홈(101)을 기준으로 부정합을 이루도록 엇갈리게 설치된다.
몸체부(103)에 감기는 제1전극판(210)은 삽지홈(101)에 그 끝단이 삽입되고, 권취시 제2몸체부(103a)의 일측(R1), 중심측(R3), 타측(R2)에 접촉된 후, 제1몸체부(103b)에도 상술한 바와 같은 순으로 접촉된다. 여기서, 몸체부(103)의 일측(R1), 중심측(R3) 그리고 타측(R2)은 각각 다른 곡률을 갖도록 형성된다. 따라서, 몸체부(103)는 그 외면이 부분적으로 각각 다른 곡률을 가지므로 전극판들(210,220,230,230a)이 맨드릴(100)에 권취될 때 응력이 집중되어 전극판들(210,220,230,230a)이 빗감기는 것이 방지된다.
이때, 몸체부(103)의 타측(R2) 곡률은 몸체부(103)의 일측(R1)이나, 중심측(R3)의 곡률보다 크게 형성될 수 있다. 바람직하게는 몸체부(103) 중심측(R3)의 곡률은 일측(R1)의 곡률보다 1~1.5배 크게 형성되고, 몸체부(103) 타측(R2)의 곡률은 중심측(R3)의 곡률보다 크게 형성될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
여기서, 회전하는 맨드릴(100)은 곡률이 크게 형성된 부분이 그 양측에 위치 되어 비교적 완만하게 형성됨에 따라, 맨드릴(100)에 권취되는 전극판들(210,220,230,230a)의 양측은 그 장력이 느슨하게 유지된다.
이송롤러(500)는 도시되지 않은 회전축과 구동부에 의해 회전되어 각각의 공급부(120,130,130a,140)에서 권출되는 전극판(210,220), 세퍼레이터(230,230a) 및 고정테이프(250)의 이송을 안내한다.
이하에서는 상술한 구성에 의한 본 발명의 이차 전지용 극판 권취장치의 작동을 설명한다.
먼저, 각각의 공급부(120,130,130a,140,150)는 제1,2전극판(210,220)과 세퍼레이터(230,230a)를 권출시킨다.
권출된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)는 소정의 위치에 설치된 각각의 이송롤러(500)에 의해 커터부(400)로 인입된다.
이때, 제1,2전극판(210,220)은 소정의 위치에서 전극탭 부착부(217.227)에 의해 각각 제1,2전극탭이 부착된다.
제1,2전극탭이 부착된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230)의 끝단은 맨드릴(100)의 몸체부(103)에 형성된 삽지홈(101)에 삽입된다.
맨드릴(100)의 삽지홈(101)에 삽입된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)는 회전하는 맨드릴(100)에 의해 권취된다.
즉, 전극판들(210,220,230,230a)은 일측이 삽지홈(101)에 삽입된 후, 맨드릴(100)이 회전되면, 전극판들(210,220,230,230a)은 제2몸체부(103b)의 일측(R1)과 중심측(R3) 그리고 타측(R2)을 지나 제1몸체부(103b)의 일측(R1)과 중심측(R3) 그 리고 타측(R2)에 접촉되어 권취된다.
이때, 맨드릴(100)의 몸체부(103)는 각각의 부분이 다른 곡률을 갖으므로 맨드릴(100)의 몸체부(103)에 전극판들(210,220,230,230a)이 권취될 때 회전되는 맨드릴(100)과 권취되는 전극판들(210,220,230,230a) 사이에는 응력이 한곳으로 집중되는 것이 방지되므로 권취되는 전극판들(210,220,230,230a)은 항상 일정한 위치에 권취될 수 있다.
또한, 몸체부(103)는 그 양측에 각각 제1,2몸체부(103a,103b)의 일측이 위치되므로 그 곡률이 가장 크다. 따라서, 그 양측에 감기는 전극판들(210,220,230,230a)은 권취되는 장력이 비교적 느슨해지므로 권취가 끝난 후, 맨드릴(100)과 권취된 전극판들(210,220,230,230a)의 분리가 쉬워진다.
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 권취되면, 권취된 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)의 외부에는 일측에 배치된 고정테이프 공급부(150)에서 공급된 고정테이프(250)가 부착되어 전극 조립체(200)를 이룬다.
본 발명에 따르면, 이차 전지용 극판 권취장치는 맨드릴(100) 몸체부의 각 부분이 다른 곡률을 갖으므로 맨드릴에 전극판이 권취될 때 회전되는 맨드릴과 권취되는 전극판 사이에는 응력이 한곳으로 집중되는 것이 방지되는 이점이 있다.
따라서, 맨드릴에 권취되는 전극판은 항상 일정한 위치에 권취될 수 있다.
또한, 맨드릴의 몸체부는 곡률이 가장 큰 제1,2몸체부의 일측이 그 양측에 배치되므로 그 곡률이 가장 크다. 따라서, 전극판은 맨드릴의 양측의 장력이 양측 비교적 느슨해지므로 권취가 끝난 후, 맨드릴과 권취된 전극판의 분리가 쉬워진다.

Claims (10)

  1. 극성을 갖는 활물질층이 도포된 제1,2전극판과 세퍼레이터를 권취시키는 권취용 맨드릴에 있어서,
    횡단면이 타원형이되 두 부분으로 나뉘어지며, 나뉘어진 한 부분의 곡면은 적어도 두 부분의 곡률이 다르게 형성된 몸체부;와,
    상기 몸체부를 두 부분으로 나뉘는 기준이 되도록 상기 몸체부의 중심부에 형성된 삽지홈;을 포함하는 이차 전지용 극판 권취장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체부는 상기 삽지홈을 중심으로 간격을 두고 부정합을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판 권취장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체부의 나뉘어진 두 부분은 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판 권취 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 몸체부에는 상기 삽지홈에 삽입된 상기 극판이 상기 몸체부의 나뉘어진 부분의 일측과 중심측와 타측 순으로 순차적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 이 차 전지용 극판 권취장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 몸체부의 곡률은 상기 몸체부의 일측(R1)과 타측(R2)이 각각 다른 곡률을 갖도록 하는 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판 권취장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 몸체부의 곡률은 상기 몸체부의 타측(R2) 곡률이 상기 몸체부의 일측(R1) 곡률보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판 권취장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 몸체부의 곡률은 상기 몸체부의 일측(R1)과 타측(R2) 그리고, 중심측(R3)이 각각 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판 권취장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 몸체부의 중심측(R3)의 곡률은 상기 몸체부의 타측(R2)의 곡률보다 작고 상기 몸체부의 일측(R1)의 곡률보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판 권취장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 몸체부 중심측(R3)의 곡률은 상기 몸체부 일측(R1)의 곡률보다 1~1.5배 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판 권취장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 몸체부 타측(R2)의 곡률은 상기 몸체부 중심측(R3)의 곡률보다 1.5~3배 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판 권취장치.
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