KR100731452B1 - 원통형 전지의 극판 권취장치 및 권취방법 - Google Patents

원통형 전지의 극판 권취장치 및 권취방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 원통형 전지의 극판 권취장치는 서로 다른 극성을 갖는 활물질층이 도포된 제 1 및 제 2 극판과 이들 두 극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 권취하는 맨드릴을 구비하고, 상기 맨드릴은 횡단면이 대략 원형이되 삽지홈에 의해 두 부분으로 나뉘어지며, 나뉘어진 두 부분 중 적어도 한 부분의 외측면에 적어도 하나의 평탄부가 형성된 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 원통형 전지의 극판 권취장치 및 권취방법에 의하면, 상기 평탄부에 전극탭을 위치시킴으로써 극판 및 세퍼레이터를 원통형에 가깝게 권취할 수 있어 권취수를 증가시키고 전지의 용량을 증대시킬 수 있으며, 원통형 캔에의 삽입 작업이 용이해진다.

Description

원통형 전지의 극판 권취장치 및 권취방법 {Electrode plate rolling device and rolling method for cylinder type battery}
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 극판 권취장치의 개략도,
도 2 는 본 발명의 일 실시예 따른 극판 권취장치의 맨드릴의 사시도,
도 3 은 도 2 에 나타낸 맨드릴의 횡단면도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *
100: 맨드릴 101: 삽지홈
103: 평탄부 200: 전극조립체
215: 전극탭 215a: 두께부
본 발명은 원통형 전지의 극판 권취장치 및 권취방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원통형에 가깝게 극판을 권취하여 권취수를 증가시킴으로써 전지의 용량을 증대시키기 위한 원통형 전지의 극판 권취장치 및 권취방법에 관한 것이다.
통상적으로, 전지는 일차전지와 이차전지로 구분되며, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말 하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
이 중 원통형 이차전지는 전극조립체와, 이 전극조립체와 전해액을 수용하는 원통형 캔과, 이 캔의 개방된 상부에 결합되는 캡조립체를 포함하여 이루어진다.
전극조립체는 직사각의 판형으로 형성된 두 전극과 이들 전극 사이에 개재되어 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터가 적층되고, 원형으로 권취되어 젤리롤(Jelly-Roll)로 통칭되는 전극조립체를 이룬다. 각 극판은 금속 포일로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다.
극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 극판에 통상 하나씩 전극탭이 결합된다. 전극탭은 원통형 캔 및 이 캔과 절연된 캡조립체와 전기접속되어 충·방전시 전극조립체와 외부 회로를 연결하기 위한 통로의 일부를 형성한다. 통상 전극탭 중 하나는 원통형 캔의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출된다.
이러한 원통형의 전극조립체를 형성하기 위해, 상기 두 극판과 세퍼레이터는 맨드릴에 의해 권취되는데, 종래 극판 권취장치의 맨드릴의 구조 및 극판 권취방법은 아래와 같다.
전극조립체를 원통형으로 권취하는 맨드릴은 횡단면이 대략 원형이되 삽지홈에 의해 두 부분으로 나뉘어져 있고, 이 삽지홈에 제 1 극판, 세퍼레이터, 제 2 극판, 세퍼레이터 순으로 적층된 끝단이 삽입 고정된다.
다음, 맨드릴이 회전되면 적층된 극판 및 세퍼레이터는 맨드릴의 외면에 권취되고, 권취된 끝단은 고정테이프에 의해 마감처리된다.
그런데, 종래의 극판 권취용 맨드릴의 구조는 다음과 같은 문제가 있다.
원통형 전극조립체에 있어서 서로 다른 두 극판의 무지부에 결합된 두 전극탭 중 하나는 통상 전극조립체 안쪽의 중심부에서 인출되어 있다. 예를 들어, 전극조립체의 권취수가 18회라면, 전극탭이 결합된 무지부 부분이 1회째 또는 2회째에 권취되어 있다.
전극탭은 직사각의 판형으로서 일정 수준의 강도와 전도도를 가져야 하기 때문에, 그 두께 및 폭을 줄이는 데에는 한계가 있다. 이러한 직사각의 판형인 전극탭이 결합된 무지부 부분이 원통형의 맨드릴 외면에 초반에 권취되는 경우, 이후에 전극탭이 위치하는 부분 위에 권취되는 부분은 같은 권취 회수째의 타부분에 비해 곡률이 커지게 된다. 즉, 극판이 원통형으로 권취되지 않아 전극조립체의 외형이 원통형에서 많이 벗어난다.
따라서, 원통형인 전극조립체에 비해 권취수가 작고, 이로 인해 전지의 용량이 작아지며, 이러한 전극조립체를 원통형의 캔에 삽입하는 작업이 용이하지 않거 나 불필요한 빈 공간을 초래하는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원통형에 가깝게 극판을 권취하여 권취수를 증가시킴으로써 전지의 용량을 증대시키는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 원통형 전지의 극판 권취장치는,
극성을 갖는 활물질층이 도포된 제 1 및 제 2 극판과 이들 두 극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 권취하는 맨드릴을 구비하고, 상기 맨드릴은 횡단면이 대략 원형이되 삽지홈에 의해 두 부분으로 나뉘어지며, 나뉘어진 두 부분 중 적어도 한 부분의 외측면에 적어도 하나의 평탄부가 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 평탄부는 상기 제 1 또는 제 2 극판에 결합된 전극탭이 놓여지는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 평탄부는 횡방향에서 볼 때 직사각형일 수 있는데, 상기 평탄부의 폭은 상기 전극탭의 폭보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 원통형 전지의 극판 권취방법은,
극성을 갖는 활물질층을 도포하여 제 1 및 제 2 극판을 형성하는 단계; 및
상기한 맨드릴을 구비한 극판 권취장치에 의해 극판을 권취하되, 상기 맨드 릴에 형성된 평탄부에 상기 제 1 또는 제 2 극판에 결합된 전극탭이 놓여지도록 극판을 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 원통형 전지의 극판 권취장치 및 권취방법에 관하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 극판 권취장치의 개략도이다.
도면을 참조하면, 극판 권취장치는 전극조립체(200)를 구성하는 제 1 및 제 2 극판(210, 220)과 세퍼레이터(230, 230a)를 공급하는 각각의 공급부(120, 130, 130a, 140)와, 공급된 제 1 및 제 2 극판(210, 220)과 세퍼레이터(230, 230a)를 소정의 길이로 커팅시키는 커터부(400)와, 제 1 및 제 2 극판(210, 220)과 세퍼레이터(230, 230a)를 권취시키는 맨드릴(100), 그리고 각각의 공급부(120, 130, 130a, 140)에서 권출되는 제 1 및 제 2 극판(210, 220)과 세퍼레이터(230, 230a)의 이송을 안내하는 이송롤러(500)를 포함한다.
공급부(120, 130, 130a, 140)는 제 1 극판(210)이 권취된 제 1 극판 공급부(210)와, 제 2 극판(220)이 권취된 제 2 극판 공급부(140) 및 세퍼레이터 공급부(130, 130a)를 포함한다. 이때, 각각의 공급부(120, 130, 130a, 140)는 제 1 극판(210)과 제 2 극판(220) 사이에 세퍼레이터(230, 230a)가 개재되도록 배치된다.
제 1 극판 공급부(120)와 제 2 극판 공급부(140)에는 각각의 공급부(120, 140)와 소정의 간격을 두고 전극탭 부착부(217, 227)가 설치되는데, 이 전극탭 부착부(217, 227)는 공급부(120, 140)에서 권출된 제 1 및 제 2 극판(210, 220)의 각 무지부에 제 1 및 제 2 전극탭을 부착시킨다.
커터부(400)는 각각의 공급부(120, 130, 130a, 140)에서 권출되는 제 1 및 제 2 극판(210, 220)과 세퍼레이터(230, 230a)들을 소정의 길이로 커팅한다. 즉, 커터부(400)는 각각의 극판 및 세퍼레이터들(210, 220, 230, 230a)을 하나의 전극조립체(200)로 구성하기 위한 길이로 커팅한다.
맨드릴(100)은 도시되지 않은 구동부에 의해 회전되어 각각의 공급부(120, 130, 130a, 140)에서 권출된 제 1 및 제 2 극판(210, 220)과 세퍼레이터(230, 230a)들을 소정의 순서대로 권취한다. 도 1 에서는 제 2 극판(220), 세퍼레이터(230), 제 1 극판(210), 세퍼레이터(230a)의 순서대로 권취하는 것을 보여준다. 맨드릴(100)의 구조에 관해서는 후술하기로 한다.
이송롤러(500)는 도시되지 않은 회전축과 구동부에 의해 회전되어 각각의 공급부(120, 130, 130a, 140, 150)에서 권출되는 극판(210, 220), 세퍼레이터(230, 230a) 및 고정테이프(250)의 이송을 안내한다.
상기 맨드릴(100)에 의해 제 1 및 제 2 극판(210, 220)과 세퍼레이터(230,230a)가 권취되면, 권취된 제 1 및 제 2 극판(210, 220)과 세퍼레이터(230, 230a)의 외면에는 일 측에 배치된 고정테이프 공급부(150)에서 공급된 고정테이프(250)가 부착되어 전극조립체(200)를 이룬다.
맨드릴(100)의 구조에 관해서 보다 상세하게는 다음과 같다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 극판 권취장치의 맨드릴의 사시도이고, 도 3 은 도 2 에 나타낸 맨드릴의 횡단면도이다.
도면을 참조하면, 맨드릴(100)은 횡단면이 대략 원형이되 삽지홈(101)에 의 해 두 부분으로 나뉘어지며, 나뉘어진 두 부분 중 적어도 한 부분의 외측면에 적어도 하나의 평탄부(103)가 형성되어 있다.
상기 맨드릴(100)은 전체적으로 대략 원통형이며, 횡단면은 대략 원형을 이루는데, 이는 원통형 전지를 제조하기 위함이다.
이러한 맨드릴(100)은 삽지홈(101)에 의해 두 부분으로 나뉘어지며, 나뉘어진 두 부분 사이에, 즉 삽지홈(101)에 제 1 및 제 2 극판과 세퍼레이터의 끝단이 삽입된다. 나뉘어진 두 부분은 상단과 하단 중 적어도 하나에 지지수단(미도시)이 결합되고, 이 지지수단에는 구동부(미도시)가 결합되어 맨드릴(100)에 회전력이 가해진다.
상기 지지수단은 다양한 형상을 가질 수 있는데, 예를 들어 도 2 에 나타낸 바와 같이 맨드릴의 상단과 하단에 돌출부가 형성되고, 지지수단에는 상기 돌출부가 삽입될 수 있는 지지홈이 형성되어, 이 돌출부와 지지홈이 결합될 수도 있다. 또는, 상기 맨드릴과 지지수단이 일체로 형성되고, 상기 맨드릴의 내측면에 제 1 및 제 2 극판과 세퍼레이터의 끝단을 고정하는 고정수단이 형성될 수도 있다.
또한, 상기 평탄부(103)는 제 1 또는 제 2 극판에 결합된 전극탭이 놓여지는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 이 평탄부(103)는 도 3 에 나타낸 바와 같이 삽지홈(101)에 의해 나뉘어진 두 부분에 각각 하나씩 형성될 수도 있으나, 두 부분 중 한 부분에 하나만 형성될 수도 있고, 또는 두 부분 중 한 부분에 두 개가 형성될 수도 있다. 다만, 이는 제 1 및 제 2 극판에 부착되는 제 1 및 제 2 전극탭의 위치에 따라 결정된다. 예를 들어, 제 1 전극탭이 원통형의 전극조립체 안쪽의 중 심부에서 인출되고 제 2 전극탭이 전극조립체 바깥쪽의 주변부에서 인출되도록 설계된다면, 상기 평탄부(103)는 제 1 전극탭이 놓여지는 위치에 하나만 형성될 것이다. 또한, 제 1 및 제 2 전극탭이 모두 원통형의 전극조립체 안쪽의 중심부에서 인출되도록 설계된다면, 상기 평탄부(103)는 제 1 및 제 2 전극탭이 놓여지는 위치에 하나씩 두 개가 형성될 것이다.
이러한 평탄부(103)는 도 2 에 나타낸 바와 같이 횡방향에서 볼 때 직사각형일 수도 있는데, 이는 전극탭의 형상에 의해 결정된다.
그리고, 상기 평탄부(103)의 폭(m)은 전극탭(215)의 폭(t)보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
좀 더 구체적으로, 상기 평탄부(103)의 폭(m)은, 상기 평탄부(103)가 형성된 부분에 맨드릴(100)의 타부분의 곡률과 같은 곡률을 갖는 외면을 가정할 때, 상기 평탄부(103)에 놓여진 전극탭(215)의 두께부(215a)가 상기 가상의 외면(도 3 의 점선)에 접할 때의 m값을 갖는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 상기 전극탭(215)이 결합된 무지부 부분이 상기 맨드릴(100)에 권취된 회수째 이후의 회수째부터는 보다 원통형에 가깝게 권취될 수 있게 된다. 따라서, 원통형 전지의 권취수를 증가시킬 수 있게 되고, 결국 전지의 용량을 증대시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 평탄부(103)의 길이는 상기 전극탭(215)이 상기 극판에 겹쳐지는 부분의 길이보다 큰 것이 바람직하다. 그렇지 않다면, 상기 평탄부(103)에 안착되지 않는 전극탭(215) 부분이 존재하여 원통형의 전극조립체를 구성하기가 어렵게 된다.
한편, 상기 삽지홈(101)은 상기 맨드릴(100)의 중심부에 형성될 수도 있다.
또한, 상기 맨드릴(100)의 나뉘어진 두 부분은 상기 삽지홈(101)을 중심으로 소정의 간격을 두고 정합을 이루도록 형성될 수도 있다. 부정합을 이루면 극판을 원통형으로 권취하기가 어렵게 된다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따라 원통형 전지의 극판 권취방법에 관하여 살펴보기로 한다.
먼저, 원통형 전지의 극판을 권취하기 위한 전 단계로서, 제 1 극판과 제 2 극판과 세퍼레이터를 준비한다.
제 1 극판은 양극일 수 있으며, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 제 1 전극 집전체의 일면 또는 양면에 제 1 활물질층을 코팅하여 형성한다. 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용될 수 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.
제 2 극판은 음극일 수 있으며, 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 제 2 전극 집전체의 일면 또는 양면에 제 2 활물질층을 코팅하여 형성한다. 활물질로는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이금속 산화물, 리튬금속 나이트라이드 또는 리튬금속 산화물 등이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아 니다.
세퍼레이터는 제 1 극판과 제 2 극판 사이의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이차전지의 전하(charge), 예를 들면 리튬이온의 이동만 가능하게 하는 것으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리플로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 세퍼레이터는 제 1 극판 및 제 2 극판보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 제 1 극판과 제 2 극판 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
다음으로, 준비된 제 1 및 제 2 극판과 세퍼레이터를 순서대로 적층하여 상술한 실시예에 의한 극판 권취장치를 이용하여 권취한다. 이를 위해, 먼저 맨드릴에 형성된 삽지홈에, 가령 제 1 극판, 세퍼레이터, 제 2 극판, 세퍼레이터 순으로 적층된 끝단을 삽입 고정한다. 그 다음, 맨드릴을 회전하여 이들을 권취하되, 상기 맨드릴에 형성된 평탄부에 상기 제 1 또는 제 2 극판에 결합된 전극탭이 놓여지도록 극판을 권취한다.
그 다음, 권취된 전극조립체가 풀리지 않도록 권취된 제 1 및 제 2 극판과 세퍼레이터의 외면에 고정테이프를 부착하여 전극조립체를 완성한다.
본 발명에 따른 원통형 전지의 극판 권취장치 및 권취방법에 의하면, 극판 및 세퍼레이터를 원통형에 가깝게 권취할 수 있어 권취수를 증가시키고 전지의 용량을 증대시킬 수 있으며, 원통형 캔에의 삽입 작업이 용이해진다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (9)

  1. 극성을 갖는 활물질층이 도포된 제 1 및 제 2 극판과 이들 두 극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 권취하는 맨드릴을 구비하는 원통형 전지의 극판 권취장치에 있어서,
    상기 맨드릴은 횡단면이 원형이되 삽지홈에 의해 두 부분으로 나뉘어지며, 나뉘어진 두 부분 중 적어도 한 부분의 외측면에 적어도 하나의 평탄부가 형성된 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평탄부는 상기 제 1 또는 제 2 극판에 결합된 전극탭이 놓여지는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 평탄부는 횡방향에서 볼 때 직사각형인 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평탄부의 폭은 상기 전극탭의 폭보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 평탄부가 형성된 부분에 상기 맨드릴의 타부분의 곡률과 같은 곡률을 갖는 외면을 가정할 때, 상기 평탄부에 놓여진 상기 전극탭의 두께부가 상기 가상의 외면에 접하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 평탄부의 길이는 상기 전극탭이 상기 극판에 겹쳐지는 부분의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽지홈은 상기 맨드릴의 중심부에 형성된 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 맨드릴의 두 부분은 상기 삽지홈을 중심으로 소정의 간격을 두고 정합을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 극판 권취장치에 의해 극판을 권취하되, 상기 극판 권취장치의 맨드릴에 형성된 평탄부에 상기 제 1 또는 제 2 극판에 결합된 전극탭이 놓여지도록 극판을 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 극판 권취방법.
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