KR100874386B1 - 각형 전지의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각형의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지를 제조함에 있어서, 전해액을 주입하고 밀봉한 전지셀이 벨트 컨베이어 상에서 이동하면서 회전 롤러에 의해 두께 방향으로 압축되어 두께 편차를 없애는 것을 특징으로 하는 각형 전지의 제조방법을 제공하는 바, 이러한 제조방법은 전지셀에 미치는 손상을 최소화하면서 효과적으로 전지셀들간의 두께 편차를 해소할 수 있으며, 연속적이고 단순한 양산공정으로 작업시간 및 제조단가를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소음 등의 열악한 작업환경을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

각형 전지의 제조방법 {Manufacturing Process of Prismatic Battery}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 롤러형 압축장치의 모식도이다;
도 2 및 3은 도 1의 압축장치의 변형예에 따른 모식도들이고;
도 4 및 5은 도 2 및 3의 압축장치들의 정면도들이다;
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 롤러형 압축장치의 모식도이다;
도 7는 도 6의 압축장치의 변형예에 따른 모식도이다.
본 발명은 각형 전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각형의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지를 제조함에 있어서, 전해액을 주입하고 밀봉한 전지셀이 벨트 컨베이어 상에서 이동하면서 회전 롤러에 의해 두께 방향으로 압축되어 두께 편차를 없애는 것을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이 차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류된다. 최근에는, 모바일 기기의 소형화에 따라 길이 대비 작은 폭(두께)을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
이차전지에서 전지반응이 일어나는 전극조립체는 일반적으로 양극 활물질이 도포된 양극판과 음극 활물질이 도포된 음극판 및 분리막에 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 이차전지의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형) 전극조립체와 스택형(적층형) 전극조립체로 구분된다. 따라서, 각형 전지는 젤리-롤형 전극조립체나 스택형 전극조립체를 각형 금속 케이스에 수납함으로써 제조된다.
일반적으로 각형 전지는 각형 금속 캔의 내부에 전극조립체를 장착하고 그것의 개방 상단에 상부 절연체를 탑재한 후, 그 위에 다시 베이스 플레이트를 용접한 뒤 전해액을 주입하여 밀봉하는 조립 과정을 거쳐 제조된다. 이때, 전해액을 소정량 주입하고 주입구를 밀봉하지 않은 상태에서 전지의 활성화를 위해 1 차 충전을 행하고, 재차 전해액을 주입하고 밀봉한 후 2 차 충전을 행하게 된다.
이러한 과정에서, 각형 이차전지는 주입구 밀봉시 가해지는 압력 및 2 차 충전시 발생되는 가스 등에 의하여 두께 방향으로 부피가 증가하게 되며, 그러한 두께의 증가 정도는 전지셀 마다 다르기 때문에 전지셀간의 두께 편차를 유발하게 된다. 이때, 상기 증가된 두께는 대략 200 ㎛로, 각형 전지의 두께가 대략 3.5 mm 내지 10 mm인 것에 반하여 무시하지 못하는 크기이다.
이러한 각형 이차전지의 두께 편차를 해소하기 위하여, 주입구를 밀봉한 상태에서 전지를 금형으로 프레싱하는 방법이 널리 사용되어 있다. 그러나, 상기 프레싱은 전지의 두께가 재차 복원되는 것을 방지하기 위하여 각형 캔이 소성 변형을 유발할 수 있을 정도로 빠른 하강 속도로 진행되기 때문에, 강한 충격으로 인해 전지의 손상을 유발한다. 예를 들어, 다이에 의한 압축시 활물질이 집전체로부터 탈리되는 현상이나, 전기적 접속을 위한 용접 부위 등이 파손되는 형상이 나타나기도 한다. 또한, 이러한 프레싱은 전지를 이동시키고 금형을 하강시키는 불연속적인 공정에 의해 이루어지기 때문에 작업시간을 지연시키는 단점을 가지고 있으며, 금형과 전지셀이 접하는 순간에 소음이 발생하기도 한다.
따라서, 전지의 손상을 최대한 방지하면서 효과적으로 전지셀간의 두께 편차를 줄일 수 있으며, 양산공정을 간소화하여 작업시간을 단축시키고 제조단가를 낮출 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 각형 전지의 제조과정에서 벨트 컨베이어와 회전 롤러를 이용하여 전지셀을 두께 방향으로 압축시킬 경우, 전지셀에 미치는 손상을 최소화하면서 효과적으로 전지셀들간의 두께 편차를 해소할 수 있으며, 연속적이고 단순한 양산공정으로 작업시간 및 제조단가 를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소음 등의 열악한 작업환경을 개선할 수 있는 잇점을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 전지의 제조방법은, 각형의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지를 제조함에 있어서, 전해액을 주입하고 밀봉한 전지셀이 벨트 컨베이어 상에서 이동하면서 회전 롤러에 의해 두께 방향으로 압축되어 두께 편차를 없애는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 제조방법은 하나의 완제품으로서 전지를 제조하기 위한 전반적인 양산공정에서, 벨트 컨베이어와 회전 롤러를 이용하는 압축공정에 의해 각형 전지를 제조한다.
상기 제조방법에서, 상기 벨트 컨베이어와 회전 롤러는 다양한 구조로 이루어질 수 있는바, 이러한 구조들을 본 명세서에서는 '롤러형 압축장치(또는 압축장치)'로 칭하기도 한다. 이러한 롤러형 압출장치의 일부 바람직한 예들을 상술하면 다음과 같다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 압축장치는 소정의 폭으로 이격된 한 쌍의 회전 롤러와, 그것의 양측에서 전지셀의 이동을 담당하는 벨트 컨베이어로 구성되어 있다. 상기 회전 롤러와 벨트 컨베이어는 전지셀이 방향전환없이 연속적으로 진행될 수 있도록 이들의 구동방향이 동일하며, 이로 인하여 전지셀은 벨트 컨베이어 및 회전 롤러 상에서 직선상으로 이동하면서 두께 방향으로 압축될 수 있다. 따라 서, 상기 압축장치는 벨트 컨베이어와 회전 롤러들의 구동축을 평행하게 배열함으로써 하나의 구동장치에 의해 벨트 컨베이어와 회전 롤러들을 동시에 가동시켜 전체적인 구조를 단순화할 수 있고, 전지셀의 이동방향을 벨트 컨베이어와 회전 롤러들 사이에서 동일하게 함으로써 연속적인 압축공정을 구현할 수 있다.
한 쌍의 회전 롤러들의 구동축과 벨트 컨베이어를 평행하게 배열한 구조는 구조 단순화에 의한 장치의 구현 용이성 및 유지 관리의 용이성 측면에서 더욱 바람직하다. 다만, 전지셀이 롤러들 사이로 투입될 때 기울어져 투입되면서 전지셀에 인가되는 압력이 불균일해지면서 전지셀의 두께가 오히려 불균일해질 수 있으므로, 하단 롤러의 상단 높이는 벨트 컨베이어 보다 높은 것이 바람직하며, 상기 높이차는 0.5 mm ~ 1 mm의 범위에서 결정될 수 있다.
상기 구조의 바람직한 변형예로서, 상기 압축장치의 한 쌍의 회전 롤러 중에서 하부 롤러를 기준으로 전지셀의 유입방향으로 편향되도록(기울어지도록) 상부 롤러를 구성할 수 있다. 이는 상기 전지셀이 회전 롤러들 사이로 진입될 때, 벨트 컨베이어의 높이보다 하부 롤러의 상단이 약간 높으므로, 회전 롤러들의 중심축에 대해 전지셀의 유입방향이 90 도를 유지하여 못하여 부분적인 압력차가 유발될 수 있기 때문이다. 따라서, 상기 편향 정도는 상부 롤러의 축과 하부 롤러의 축의 연장선(회전 롤러들의 중심축)이 전지셀의 유입방향에 대해 대략 수직을 이룰 수 있는 기울기인 것이 바람직하다.
또 다른 변형예로서, 상기 압축장치의 회전 롤러는 소정의 폭으로 이격된 연속적인 두 쌍 또는 그 이상으로 구성될 수 있다. 전지셀이 회전 롤러들 사이로 이 동하면서 순간적으로 높은 압력을 받을 경우, 부분적인 손상이 유발될 수도 있는 바, 상기와 같은 연속적인 회전 롤러의 구성에 의해 순차적으로 압축되면, 그러한 손상 가능성을 최대한 억제할 수 있다. 따라서, 상기의 구조에서, 연속적인 롤러 쌍들은 순차적으로 좁아지는 이격 폭으로 상하 롤러들로서 위치하는 것이 바람직하다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 압축장치는 벨트 컨베이어와 그것으로부터 소정의 폭으로 이격된 회전 롤러로 구성될 수 있다. 따라서, 상기 전지셀은 벨트 컨베이어 상에서 이동하면서, 회전 롤러에 의해 두께 방향으로 압축될 수 있다. 일반적으로 판상의 레일 형태로 이루어진 벨트 컨베이어는 전지셀의 압축과정 시, 상기 회전 롤러와 전지셀로부터 강한 압축력을 받게 되므로, 상기 벨트 컨베이어를 지지하기 위한 부재(지지부재)가 설치되는 것이 바람직하다. 상기 지지부재는 상기 회전 롤러에 대응하는 위치에서 벨트 컨베이어의 하부에 설치될 수 있으며, 그것의 형태는 다양할 수 있다.
상기 구조의 바람직한 변형예로서, 상기 벨트 컨베이어에는 전지셀이 장착될 수 있는 개구가 형성되어 있을 수 있고, 상기 벨트 컨베이어의 하부에는 전지셀이 개구에 장착된 상태로 이동할 수 있도록 지지부재가 설치될 수 있으며, 상기 벨트 컨베이어의 상부에는 지지부재로부터 소정의 폭으로 이격된 위치에 회전 롤러가 설치될 수도 있다. 이 경우, 전지셀은 상기 지지부재에 의해 지지된 상태로 벨트 컨베이어 상에서 이동하면서 회전 롤러에 의해 두께 방향으로 압축될 수 있다.
상기의 구조에서, 개구는 전지셀이 장착될 수 있는 구조라면 특별히 제한된 것은 아니며, 바람직하게는 벨트 컨베이어의 단면상 음각의 구조로 형성되어 있을 수 있다. 또한, 상기 지지부재는 전지셀이 압축되는 과정에서 벨트 컨베이어를 지지할 뿐만 아니라, 상기 개구에 장착되어 있는 전지셀을 이동시키는 과정에서도 벨트 컨베이어를 지지할 수 있도록, 벨트 컨베이어의 하부 전반에 걸쳐 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형의 구조일 수 있으며, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 구조일 수도 있다. 그 중 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가진 젤리-롤형 전극조립체가 더욱 바람직하다. 이러한 전극조립체의 구성 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 구체적인 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예 및 변형예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예 따른 롤러형 압축장치의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 압축장치(100)는 소정의 폭으로 이격된 한 쌍의 회전 롤러(상부 롤러, 하부 롤러: 110, 120)와, 전지셀(도시하지 않음)의 이동을 담당하는 두 단위의 벨트 컨베이어(제 1 벨트 컨베이어, 제 2 벨트 컨베이어: 130, 140)로 구성되어 있다. 따라서, 제 1 벨트 컨베이어(130)을 통해 이동되어온 전지셀은 한 쌍의 회전 롤러들(110, 120)의 사이로 삽입되고, 이들에 의해 압축된 후, 제 2 벨트 컨베이어(140) 상으로 이동한다. 한 쌍의 회전 롤러(110, 120)와 두 단위의 벨트 컨베이어(130, 140)는 이들의 구동축(111, 121, 131, 141)이 서로 평행하도록 배열되어 있어, 전지셀을 한쪽 진행방향으로 이동시킬 수 있다.
도 2 및 3에는 도 1의 압축장치의 변형예에 따른 모식도들이 도시되어 있으며, 도 4 및 5에는 도 2 및 3의 정면도들이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 압축장치(101)는 도 1의 압축장치(100)에서 상부 롤러(110)가 하부 롤러(120)를 기준으로 전지셀의 유입방향으로 기울어지도록 변형되어 있다.
전지셀이 회전 롤러(110, 120)에 기울어져 투입되어 전지셀에 인가되는 압력이 불균일해지는 것을 방지하고, 회전 롤러(110, 120)에서 제 2 벨트 컨베이어(140)로 용이하게 이동하도록, 하부 롤러(120)는 그것의 상단(122)이 벨트 컨베이어들(130, 140)보다 높게 설치되어 있다. 이는 도 1의 압축장치(100)에도 적용될 수 있다. 또한, 전지셀이 제 1 벨트 컨베이어(130)에서 회전 롤러들(110, 120) 사이로 삽입될 때, 제 1 벨트 컨베이어(130)보다 높은 하부 롤러(140)에 의하여 기울어져 삽입되는 것을 방지하기 위하여, 상부 롤러(110)의 구동축(111)과 하부 롤러(120)의 구동축(121)을 연결하는 연결부재(190)는 전지셀의 유입방향에 대하여 수직을 이룰 수 있도록 기울어져 있다. 이들 구조는 도 2의 정면도가 도시되어 있는 도 4에서 용이하게 확인할 수 있다.
도 3 및 5를 참조하면, 압축장치(102)는 도 1의 압축장치(100)에서 회전 롤러(110, 120)가 순차적으로 이격 폭이 좁아지는 세 쌍의 회전 롤러들(110, 120, 150, 160, 170, 180)로 변형되어 있다. 이때, 하부 롤러들(120, 160, 180)은 그것의 상단들(122, 162, 182)이 모두 두 단위의 벨트 컨베이어(130, 140)보다 높게 설치되어 있으며, 순차적으로 높아지는 관계로 이루어져 있다. 또한, 모든 상부 롤러들(110, 150, 170)은 각각의 하부 롤러들(120, 160, 180)을 기준으로 전지셀의 유입방향을 향해 기울어져 있다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 롤러형 압축장치의 모식도가 도시되어 있으며, 도 7에는 도 6의 압축장치의 변형예에 따른 모식도가 도시되어 있다.
도 6에서와 같이, 압축장치(200)는 일체형의 벨트 컨베이어(210)와 그것으로부터 소정의 폭으로 이격된 회전 롤러(220), 및 회전 롤러(220)에 대응하도록 벨트 컨베이어(210)를 지지하는 지지부재(230)로 구성되어 있다. 따라서, 전지셀은 일체형의 벨트 컨베이어(210)상에서 이동되면서 회전 롤러(220)에 의하여 압축된다. 지지부재(230)는 전지셀의 압축시 벨트 컨베이어(210)에 작용하는 하중에 대응할 수 있도록, 회전 롤러(220)에 연결된 상태로 벨트 컨베이어(210) 하부에 위치한다.
이러한, 압축장치(200)는 도 7에서와 같이, 전지셀이 장착될 수 있는 개구(240)가 형성되어 있는 벨트 컨베이어(211)와 전지셀이 이동하는 과정에서도 벨트 컨베이어(211)를 지지할 수 있는 지지부재(231), 및 회전 롤러(220)로 구성된 압축 장치(201)로 변형될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지의 제조방법은 벨트 컨베이어와 회전 롤러를 이용하여 전지셀을 두께 방향으로 압축시킴으로써, 전지셀에 미치는 손상을 최소화하면서 효과적으로 전지셀들간의 두께 편차를 해소할 수 있으며, 연속적이고 단순한 양산공정으로 작업시간 및 제조단가를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소음 등의 열악한 작업환경을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 각형의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지를 제조함에 있어서, 전해액을 주입하고 밀봉한 전지셀이 벨트 컨베이어 상에서 이동하면서 회전 롤러에 의해 두께 방향으로 압축되어 두께 편차를 없애는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 소정의 폭으로 이격된 한 쌍의 회전 롤러들 사이로, 상기 벨트 컨베이어 상에서와 동일한 진행방향으로 이동하면서 두께 방향으로 압축되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 한 쌍의 회전 롤러들 중 하부의 롤러의 상단 높이는 전지셀이 놓인 벨트 컨베이어의 높이보다 소정의 크기 만큼 높게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 높이차(하단 롤러의 상단 높이와 벨트 컨베이어의 높이의 차)는 0.5 내지 1 mm 인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 한 쌍의 회전 롤러들 중 상부 롤러는 하부 롤러를 기준으로 전지셀의 유입방향으로 편향되어(기울어져) 있고, 상기 편향 정도는 상부 롤러의 축과 하부 롤러의 축의 연장선이 전지셀의 유입방향에 대해 수직을 이루는 기울기인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 소정의 폭으로 이격된 연속적인 두 쌍 또는 그 이상의 회전 롤러들 사이를 이동하면서 두께 방향으로 압축되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 연속적인 롤러 쌍들은 순차적으로 좁아지는 이격 폭으로 상하 롤러들이 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 벨트 컨베이어로부터 소정의 폭으로 이격된 회전 롤러에 의해 두께 방향으로 압축되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 벨트 컨베이어에는 전지셀이 장착될 수 있는 개구가 형성되어 있고, 상기 벨트 컨베이어의 하부에는 전지셀이 개구에 장착된 상태로 이동할 수 있도록 지지하는 부재(지지부재)가 설치되어 있으며, 벨트 컨베이어의 상부에는 상기 지지부재로부터 소정의 폭으로 이격된 위치에 회전 롤러가 설치되어 있고, 전지셀은 지지부재에 의해 지지된 상태로 회전 롤러에 의해 두께 방향으로 압축되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤의 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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