KR101165462B1 - 극판 권취장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 이차 전지용 극판 권취장치는 외면에 극판이 권취되도록 적어도 두 개의 권취축이 일정한 폭을 유지하며 그 폭이 가변되도록 가변유닛을 갖는 몸체부와, 몸체부를 회전시키는 회전구동부 및 가변유닛을 작동시키는 가변구동부를 포함하므로, 맨드릴에 권취되는 전극판들의 권취장력이 일정한 이점이 있다.
가변맨드릴, 권취장력, 권취장치

Description

극판 권취장치 { Electrode plate rolling Device }
도 1은 본 발명에 따른 극판 권취장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 2a,2b는 본 발명에 따른 극판 권취 장치의 작동 초기상태를 도시한 도면,
도 3a,3b은 본 발명에 따른 극판 권취 장치의 작동 상태를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 극판 권취 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
100 : 맨드릴 101 : 회전지지부재
103a,103b : 권취축 105a,105b : 연결부재
107 : 중심축 109 : 가변중심부재
110 : 회전구동부 200 : 전극조립체
본 발명은 극판 권취장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 이차 전지에서 전극 조립체를 구성하는 극판을 권취시키는 맨드릴이 구비된 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 팩 전지를 내장하고 있다. 내장된 팩 전지는 휴대용 전기/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
팩 전지는 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.
맨드릴은 그 횡단면이 장축과 단축을 갖도록 형성된 몸체와 몸체의 중심부에 형성된 삽지홈을 포함한다.
삽지홈에는 제1극판과, 제2극판 그리고, 세퍼레이터가 적층된 끝단이 삽입된다. 다음, 몸체가 회전되면 적층된 극판 및 세퍼레이터는 몸체의 외면에 권취되고, 권취된 끝단은 고정테이프에 의해 마감처리된다.
그런데, 이러한 종래의 권취용 맨드릴은 몸체가 회전될 때 맨드릴의 장축을 기준으로 그 양단에 걸리는 극판의 권취 장력이 다른 부분에 걸리는 극판의 권취 장력보다 커지게 된다. 따라서, 양단에 권취되어 텐션이 커진 극판은 맨드릴에 권취된 후 맨드릴과 극판을 분리하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 각 부분의 권취 장력이 다른 전극 조립체는 이차 전지의 케이스에 수용되어 전해액이 주입되었을 때, 텐션이 큰 상태로 권취된 부분에서 변형이 일어나는 문제점이 있다.
따라서, 이차 전지는 전극 조립체의 변형으로 인해 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 맨드릴에 의해 권취되는 극판의 권취 장력을 고르게 하는 극판 권취장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외면에 극판이 권취되도록 적어도 두 개의 권취축이 일정한 폭을 유지하며 그 폭이 가변되도록 가변유닛을 갖는 몸체부와, 상기 몸체부를 회전시키는 회전구동부 및 상기 가변유닛을 작동시키는 가변구동부를 포함하는 극판 권취장치를 제공한다.
상기 가변유닛은 상기 몸체부의 축 가운에 설치되는 중심축과, 상기 중심축과 상기 권취축을 각각 연결하는 가변축 그리고, 상기 중심축과 상기 가변축을 연결하는 연결부재를 포함할 수 있다.
상기 가변유닛은 상기 중심축의 외면에 나사산이 형성된 것이 좋다.
상기 중심축에는 중심축의 나사산에 대응되는 나사산이 내부에 형성되며 상기 가변축들과 연결된 튜브형상의 가변중심부재가 설치된 것이 좋다.
상기 연결부재는 일단이 상기 가변중심부재에 연결되고, 타단이 상기 가변축과 연결된 것이 좋다.
상기 연결부재는 탄성을 갖는 탄성부재인 것이 좋다.
상기 가변축과 상기 중심축은 안내부재에 의해 연결된 것이 좋다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차 전지의 극판 권취용 맨드릴을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 극판 권취장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2a,2b는 본 발명에 따른 극판 권취 장치의 작동 초기상태를 도시한 도면이며, 도 3a,3b은 본 발명에 따른 극판 권취 장치의 작동 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 극판 권취 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 극판 권취 장치는 이차 전지를 구성하는 전극 조립체(200)를 권취시키는 장치로서, 전극 조립체(200)는 제1전극탭(217)이 부착된 제1전극판(211), 제2전극탭(227)이 부착된 제2전극판(221) 및 상기 제1전극판(211)과 제2전극판(221) 사이에 개재된 세퍼레이터(230,230a)가 권취된 형태로 이루어진다.
즉, 전극 조립체(200)는 제1전극판(211), 제2전극판(221) 및 세퍼레이터(230,230a)가 각각 한 장의 스트립(strip)으로 이루어져, 세퍼레이터(230), 제1전극판(211), 세퍼레이터(230a), 제2전극판(222)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(211)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 복 합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
제2전극판(221)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.
세퍼레이터(230,230a)는 제1전극판(211)과 제2전극판(221)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이차 전지의 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(211) 및 제2전극판(221)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 제1전극판(211)과 제2전극판(221) 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
이에 권취장치는 전극 조립체(200)를 구성하는 제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)가 공급되는 각각의 공급부(120,130,130a,140)와, 공급된 제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)를 소정의 길이로 커팅시키는 커터부(400)와, 제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)를 권취시키는 맨드릴(100) 그리고, 각각의 공급부(120,130,130a,140)에서 권출되는 제1,2전극판 (211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)의 이송을 안내하는 이송롤러(500)를 포함한다.
공급부(120,130,130a,140)는 제1,2전극판(211,221)이 권취된 제1전극판 공급부(120)와, 제2전극판(221)이 권취된 제2전극판 공급부(140) 및 세퍼레이터 공급부(130,130a)로 이루어진다. 이때, 각각의 공급부(120,130,130a,140)는 제1전극판(211)과 제2전극판(221) 사이에 세퍼레이터(230,230a)가 개재되도록 배치된다.
제1전극판 공급부(120)와 제2전극판 공급부(140)에는 각각의 공급부(120,140)와 소정의 간격을 두고 공급부(120,140)에 권취된 제1,2전극판(211,221)들이 권출될 때 제1,2전극탭(217,227)이 부착될 수 있도록 전극탭 부착부(210,220)가 설치된다.
커터부(400)는 각각의 공급부(120,130,130a,140)에서 권출되는 제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)들을 소정의 길이로 커팅한다. 즉, 커터부(400)는 각각의 제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)들을 하나의 전극 조립체(200)를 구성하기 위한 길이로 커팅한다.
맨드릴(100)은 회전하면서 제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)들을 젤리-롤(Jelly-Roll)형으로 권취시키는 것으로서, 몸체부(103)와, 몸체부(103)를 회전시키는 구동부(150)와, 몸체부(103)의 길이를 가변시키는 가변유닛을 포함한다.
몸체부(103)는 그 외면에 제1,2전극판(210,220) 및 세퍼레이터(230,230a)들이 권취되도록 적어도 두 개의 권취축(103a,103b)과 가변유닛을 포함하여 이루어진다.
두 개의 권취축(103a,103b)은 중심축(107)을 중심으로 소정의 간격을 두고 이격되게 설치되며 권취축(103a,103b)과 중심축(107)은 연결부재(105a,105b)에 의해 각각 연결된다. 더욱 상세히 설명하면, 중심축(107)의 외면에는 나사산(107a)이 형성되고, 중심축(107)의 일단에는 가변중심부재(109)가 삽입된다. 가변중심부재(109)는 튜브형상으로 형성되어 그 내면에 중심축(107)의 나사산(107a)과 대응되는 나사산이 형성된다. 또한, 연결부재(105a,105b)는 일단이 가변중심부재(109)와 연결되고, 타단이 권취축(103a,103b)과 연결된다.
여기서, 연결부재(105a105b)는 가변중심부재(109)과 권취축(103a,103b)에 각각 회동가능하게 설치된 것이 바람직하다. 즉, 가변 중심부재(109)는 중심축(107)의 나사산(107a)을 따라 이동할 때 그의 이동에 따라 중심축(107)과 권취축(103a,103b)의 간격이 이동 전과 달라진다.
이에, 연결부재(105a,105b)는 도 2b,3b에 도시된 바와 같이, 그 양단이 회동되면서 연결부재(105a,105b)의 길이만큼 중심축(107)과 권취축(103a,103b)의 간격을 가변시킬 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 맨드릴(100)은 제1,2전극판(211,221)과 세퍼레이터(230,230a)가 권취되는 초기 단계에서 중심축(107)과 권취축(103a,103b)의 간격을 최대화 시키고, 마무리 단계에서 그 간격을 점차 줄여 전극 조립체(200)와의 분리가 용이하도록 작동된다. 이때, 중심축(107)에는 가변구동부(110)가 설치되어 회전가능함은 물론이다.
또한, 권취축(103a103b)의 타단 즉, 가변 중심부재(109)와 연결되지 않은 부분에는 회전지지부재(101)가 설치된다. 회전지지부재(101)에는 권취축(103a,103b) 들을 연결하도록 설치되어 권취축(103a,103b)들을 회전시킬 수 있는 회전구동부(미도시)가 연결된다. 물론, 권취축(103a,103b)은 두 개 이상 설치되어도 무방하다.
그리고, 연결부재(105a,105b)는 도 4에 도시된 바와 같이, 와이어나 스프링과 같은 탄성을 갖는 탄성부재로 되어 그 길이가 가변되는 것이 좋다.
이하에서는 상술한 구성에 의한 본 발명에 따른 극판 권취장치의 작동을 설명한다.
먼저, 각각의 공급부(120,130,130a,140,150)는 제1,2전극판(211,221)과 세퍼레이터(230,230a)를 권출시킨다.
권출된 제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230)는 소정의 위치에 설치된 각각의 이송롤러(500)에 의해 커터부(400) 측으로 인입된다.
이때, 제1,2전극판(211,221)에는 소정의 위치에서 전극탭 부착부(210.220)에 의해 각각 제1,2전극탭(217,227)이 부착된다.
제1,2전극탭(217,227)이 부착된 제1,2전극판(211,221)과 세퍼레이터(230,230a)의 끝단은 맨드릴(100)의 적어도 두 개 설치된 권취축(103a,103b)에 외감된다.
이때, 맨드릴(100)은 작동 초기 단계이므로 권취축(103a,103b)은 중심축(107)을 중심으로 연결부재(103a,103b)를 매개로 그 간격이 최대가 되도록 유지한다. 이에, 중심축(109)은 가변구동부(110)에 의해 회전되어 가변중심부재(109)가 연결부재(103a,103b)의 단부와 일직선을 이루는 것이 좋다.
다음, 몸체부(103)는 회전구동부에 의해 회전되고, 제1,2전극판(211,221)과 세퍼레이터(230,230a)는 맨드릴(100)에 권취된다. 이때, 가변구동부(110)는 조금씩 작동되어 제1,2전극판(211,221)과 세퍼레이터(230,230a)가 맨드릴(100)에 권취되는 정도에 비례하도록 가변중심부재(109)의 위치가 중심축(107)의 전방으로 이동하도록 한다. 그러면, 중심축(107)과 연결부재(103a,103b)는 점차적으로 예각을 이루면서 중심축(107)과 권취축(105a,105b)의 간격을 점차적으로 줄여준다. 따라서, 제1,2전극판(211,221)과 세퍼레이터(230,230a)는 맨드릴(100)의 외측으로 권취되면서 권취장력이 일정하게 유지될 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 맨드릴(100)의 중심측에 권취된 제1,2전극판(211,221)과 세퍼레이터(230,230a)는 권취될수록 권취축(103a,103b)의 양단에 걸리는 권취장력이 커지지만, 권취축(103a,103b)이 중심축(107)측으로 이동되므로, 권취축(103a,103b)의 양단에 작용되는 권취장력은 초기단계와 동일하게 작용될 수 있다.
다음, 맨드릴(100)에 의해 권취된 제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)는 커터부(400)에 의해 소정의 길이를 갖도록 커팅된다.
제1,2전극판(211,221) 및 세퍼레이터(230,230a)가 권취되면, 권취된 제1,2전극판(211,221) 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, 극판 권취장치는 권취축이 소정의 간격을 두고 설치된 후, 전극판들이 권취되면서 순차적으로 그 간격을 줄여줌에 따라 맨드릴에 권취되는 전극판들의 권취장력이 맨드릴의 어떤 부분에서도 일정한 이점이 있다.
또한, 극판 권취장치는 맨드릴의 권취장력이 일정하므로 전극판들이 늘어나 불량 전극 조립체가 생성되는 것이 방지되는 이점이 있다.
그리고, 전극판은 권취 장력이 일정하므로 권취가 끝난 후, 맨드릴과 권취된 전극판들의 분리가 용이한 이점이 있다.

Claims (8)

  1. 외면에 극판이 권취되도록 적어도 두 개의 권취축이 일정한 폭을 유지하며 그 폭이 가변되도록 가변유닛을 갖는 몸체부;
    상기 몸체부를 회전시키는 회전구동부; 및
    상기 가변유닛을 작동시키는 가변구동부를 포함하는 극판 권취장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가변유닛은 상기 몸체부의 축 가운에 설치되는 중심축;
    상기 중심축과 상기 권취축을 각각 연결하는 가변축;
    상기 중심축과 상기 가변축을 연결하는 연결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가변유닛은 상기 중심축의 외면에 나사산이 형성된 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 중심축에는 중심축의 나사산에 대응되는 나사산이 내부에 형성되며 상기 가변축들과 연결된 튜브형상의 가변중심부재가 설치된 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연결부재는 일단이 상기 가변중심부재에 연결되고, 타단이 상기 가변축과 연결된 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 연결부재는 양단이 회동가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 연결부재는 탄성을 갖는 탄성부재인 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 가변축과 상기 중심축은 안내부재에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 극판 권취장치.
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