KR101269943B1 - 전지셀 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 둘 또는 그 이상의 단위셀들을 포함하는 전지셀을 제조하는 장치로서, 단위셀들이 상부로부터 유입되어 순차적으로 적층되는 단위셀 적층부; 상기 적층부로부터 인취한 단위셀 적층체들의 외면을 분리필름에 의해 감싸는 래핑부; 및 상기 단위셀 적층체의 외면을 감싸고 있는 분리필름을 열수축시키는 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치를 제공한다.

Description

전지셀 제조 장치 {Manufacture Device of Battery Cell}
본 발명은 전지셀 제조 장치로서, 더욱 상게하게는, 단위셀들을 포함하는 전지셀을 제조하는 장치로서, 단위셀들이 상부로부터 유입되어 순차적으로 적층되는 단위셀 적층부; 상기 적층부로부터 인취한 단위셀 적층체들의 외면을 분리필름에 의해 감싸는 래핑부; 및 상기 단위셀 적층체의 외면을 감싸고 있는 분리필름을 열수축시키는 가열부; 를 포함하는 구조의 전지셀 제조 장치에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 이러한 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 바람직하게 사용될 수 있지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는, 국부적으로 응력이 집중되어 전극 활물질이 박리되거나 충방전 과정에서 반복되는 수축 및 팽창 현상에 의해 전지의 변형을 유발하는 문제점이 있다.
반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위 셀들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시되어 있다.
그러나, 상기 스택/폴딩형 전극조립체는, 긴 시트형의 분리막에 단위셀들을 일일이 배열해야 하고, 양단에서 단위셀 및 분리막을 잡고 폴딩해야 하는 등 이러한 제조공정을 위한 내부 공간 내지 시스템이 필수적으로 요구되고 그 공정 과정이 매우 복잡하며, 결과적으로 설비 투자 비용이 높은 단점이 있다.
따라서, 제조 비용을 최소화하면서 제조 공정성을 향상시키고, 동일 규격 대비 전지의 용량 및 품질을 향상시킬 수 있는 전지셀 제조 장치에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 신규한 구조의 전지셀 제조 장치를 사용함으로써, 제조 비용을 최소화하면서 제조 공정성을 향상시키고, 동일 규격 대비 전지의 용량 및 품질을 향상시킬 수 있는 전지셀 제조장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀 제조 장치는, 둘 또는 그 이상의 단위셀들을 포함하는 전지셀을 제조하는 장치로서,
단위셀들이 상부로부터 유입되어 순차적으로 적층되는 단위셀 적층부;
상기 적층부로부터 인취한 단위셀 적층체들의 외면을 분리필름에 의해 감싸는 래핑부; 및
상기 단위셀 적층체의 외면을 감싸고 있는 분리필름을 열수축시키는 가열부;
를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
즉, 상기 단위셀들을 용이하게 적층하여 단위셀 적층체를 만들고 이를 인취하여 분리필름으로 감싼 후 열수축시키는 일련의 과정을 통해, 전지셀의 제조 공정성을 크게 향상시키고, 동일 규격 대비 전지의 용량 및 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 단위셀은 둘 또는 그 이상의 극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조로서, 예를 들어, 양측 최외각의 극판들이 서로 반대 전극을 형성하는 풀셀의 구조일 수 있다. 상기 풀셀의 구조는 대표적으로 양극/분리막/음극 구조, 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 구조 등을 들 수 있다.
경우에 따라서는, 양극 최외각의 극판들이 서로 동일한 전극을 형성하는 바이셀이 단위셀로 사용될 수도 있다. 상기 바이셀의 구조는 대표적으로, 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조(C형 바이셀), 음극/분리막/양극/분리막/음극(A형 바이셀) 구조 등을 들 수 있다.
단위셀로 풀셀을 사용하는 경우에는, 풀셀들 상호 간에 분리막이 개재된 상태에서 서로 다른 전극들이 대면하도록 적층부에서 적층하며, 단위셀로서 바이셀을 사용하는 경우에는, 역시 바이셀들 상호 간에 분리막이 개재된 상태에서 서로 다른 전극들이 대면하도록 C형 바이셀과 A형 바이셀을 교번 방식으로 적층부에서 적층한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 단위셀 적층부는 상단이 개방되어 있고 하부방향으로 직경이 작아지는 호퍼 구조의 상부와, 단위셀 적층체에 대응하는 내부 크기를 가진 하부로 이루어진 구조일 수 있다. 따라서, 상부에 의해 용이하게 수집된 다수의 단위셀들은, 중력에 의해 하부로 이동하면서 하부 구조에 의해 고르고 반듯하게 적층될 수 있다.
상기 구조에서, 단위셀 적층부의 하부에는 상기 단위셀 적층체가 순차적으로 인취될 수 있도록, 하부 배출구가 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 하부 배출구로 인취된 단위셀 전층체는 분리필름에 의해 용이하게 감싸질 수 있다.
구체적으로, 상기 단위셀 적층부의 하부는, 예를 들어 단위셀의 극판보다 크고, 분리막보다 작은 내경을 가진 구조일 수 있다. 즉, 단위셀 적층체가 상기 단위셀 적층부의 하부를 이동할 때, 분리막이 하부 내벽에 닿으면서 분리막의 탄성 및 하부 내벽에 대한 마찰력으로 인해 중력에 대응하는 힘으로 하강하게 하게 된다. 따라서, 단위셀 적층체는 물리적으로 가압되지 않으면서 순차적으로 적층시킬 수 있다.
또한, 상기 단위셀 적층부의 하부에는 단위셀의 분리막을 지지하는 단턱이 형성되어 있을 수 있다. 즉, 단위셀 적층체가 순차적으로 적층될 때 상기 단위셀 적층체가 단턱의 높이를 초과하면, 상기 하부 배출구로 인취된다.
상기 단턱은 단위셀 적층체를 용이하게 지지하는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 단위셀 적층부의 상하부의 경계 또는 하부 부위 또는 하부 배출구에 형성되는 구조일 수 있다.
한편, 상기 단위셀 적층부의 하부에는 배기를 위한 관통구들이 천공되어 있을 수 있다. 따라서, 하부 내벽에 닿아 있는 상기 단위셀의 분리막과 단위셀 적층부 하부 사이에 포집된 공기를 제거하여 단위셀 적층체가 하부 배출구로 용이하게 하강할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 래핑부는,
단위셀 적층체의 상면 또는 하면 중 일면을 분리필름으로 감싸는 지그;
상기 지그에 의해 단위셀 적층체의 일면이 분리필름으로 감싸인 상태에서 상기 분리필름으로 대응면을 연속적으로 감싸는 래핑 플레이트; 및
상기 단위셀 적층체의 상면 및 하면이 분리필름으로 감싸인 상태에서 분리필름의 중첩 부위를 열융착하는 실링 블록;
을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
상기 지그는 바람직하게는 단위셀 적층체를 지지하면서 분리필름에 의해 용이하게 감쌀 수 있도록, 단위셀 적층체의 상면 또는 하면에 접하는 본체 지그와 단위셀 적층체의 좌측면 또는 우측면에 접하는 측면 지그를 포함하는 구조일 수 있다.
상기 래핑 플레이트는 단위셀 적층체에서 상기 측면 지그의 대향측으로부터 측면 지그 방향으로 이동하여 분리필름으로 단위셀 적층체를 감쌀 수 있으므로, 제조 공정이 매우 간소하다.
또한, 상기 실링 블록은 측면 지그의 방향으로 이동하면서 분리필름의 중첩 부위를 열융착시킬 수 있다. 상기 열융착이 이루어진 분리필름은 열에 의해 자체적으로 커팅될 수도 있으며, 경우에 따라서는 커팅을 위한 별도의 커터를 포함할 수도 있다.
상기 분리필름은 각각 단위셀의 극판 및 단위셀 적층체들 사이에서 그것들의 전기적 절연상태를 유지할 수 있으며, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리프로필렌의 공중합체 또는 블랜드로 이루어진 소재 등이 사용될 수 있고, 다공성 구조로 이루어져 있다.
한편, 상기 가열부는 바람직하게는 단위셀 적층체를 감싼 분리필름을 열수축시킬 수 있는 고온 챔버로서, 상기 고온 챔버에 의해 열수축된 분리필름은 단위셀 적층체에 대해 고정 상태를 지지하고, 단위셀 적층체를 외부로부터 보호하는 작용을 한다.
이러한 분리필름은, 바람직하게는 150 ~ 180℃의 범위에서 열수축이 일어날 수 있다.
하나의 예에서, 상기 단위셀 적층체는 컨베이어 벨트에 의해 래핑부로부터 가열부로 이송될 수 있는 구조로 이루어져 있으므로, 자동화 라인을 용이하게 구현할 수 있다.
본 발명은 또한, 이러한 전지셀 제조 장치를 사용하여 제조되는 전기셀을 제공한다.
상기 전지셀은 예를 들어, 이차전지 또는 전기화학 캐패시터일 수 있으며, 그 중에서도 리튬 이차전지에서 바람직하게 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조 장치는, 단위셀들을 용이하게 적층하여 단위셀 적층체를 만들고 이를 인취하여 분리필름으로 감싼 후 열수축시키는 일련의 과정을 통해, 전지셀의 제조 공정성을 향상시키면서 동일 규격 대비 전지의 용량 및 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 전극조립체에서 단위셀로서 바람직하게 사용될 수 있는 하나의 예시적인 풀셀의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀 적층부의 모식도이다;
도 3은 도 2의 단위셀 적층부를 제외한 전지셀 제조장치의 모식도이다;
도 4는 도 2의 래핑부를 이용하여 단위셀 적층체를 감싸는 과정을 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 전극조립체에서 단위셀로서 바람직하게 사용될 수 있는 하나의 예시적인 풀셀의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 단위셀(10)로서 풀셀은 양극(15)/분리막(13)/음극(11)의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극(15)과 음극(11)이 위치하는 셀이다. 이러한 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 그 중, 양극/분리막/음극 구조의 풀셀의 모식도가 도 1에 도시되어 있는 바, 이러한 풀셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 한다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀 적층부의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 단위셀 적층부(100)는 단위셀들이 상부로부터 유입되어 순차적으로 적층되는 구조로서, 상단이 개방되어 있고 하부방향으로 직경이 작아지는 호퍼 구조의 상부(110)와, 단위셀 적층체(10)에 대응하는 내부 크기를 가진 하부(120)로 이루어져 있다.
단위셀 적층부의 하부(120)에는 단위셀 적층체(10)가 순차적으로 인취될 수 있도록, 하부 배출구(122)가 형성되어 있다.
또한, 단위셀 적층부의 하부(120)는 단위셀의 극판(11, 15)보다 크고, 분리막(13)보다 작은 내경을 갖고 있어서, 단위셀 적층체(10)의 분리막(13)이 하부 내벽에 닿으면서 분리막의 탄성 및 하부 내벽에 대한 마찰력으로 인해 중력에 대응하는 힘으로 하강하게 된다. 따라서, 단위셀 적층체는 물리적으로 가압되지 않으면서 순차적으로 적층시킬 수 있다.
또한, 단위셀 적층부의 하부(120) 부위 및 하부 배출구(122)에는 단위셀의 분리막(13)을 지지하는 단턱(124)이 형성되어 있다. 따라서, 단위셀 적층체(10)가 순차적으로 적층될 때 단턱의 높이를 초과하면, 하부 배출구(122)로 인취된다.
한편, 단위셀 적층부의 하부(120)에는 배기를 위한 관통구들(126)이 천공되어 있어서, 하부 내벽에 닿아 있는 단위셀의 분리막(13)과 단위셀 적층부 하부(120) 간의 공기 가압상태를 해소하여 단위셀 적층체(10)가 하부 배출구(122)로 용이하게 하강할 수 있다.
도 3에는 도 2의 단위셀 적층부를 제외한 전지셀 제조장치가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 2의 래핑부를 이용하여 단위셀 적층체를 감싸는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면은 도 2와 함께 참조하면, 전지셀 제조장치(500)는 단위셀 적층부(100); 래핑부(200); 및 가열부(300)로 구성되어 있다.
래핑부(200)는 적층부(100)로부터 인취한 단위셀 적층체들(10)의 외면을 분리필름(210)에 의해 감싸는 장치로서, 단위셀 적층체(10)의 상면을 분리필름(210)으로 감싸는 지그(220); 단위셀 적층체(10)의 외면을 분리필름(210)에 의해 감싸는 래핑 플레이트(230); 및 단위셀 적층체(10)의 하면이 분리필름(21)으로 감싸인 상태에서 분리필름(210)의 중첩 부위(215)를 열융착하는 실링 블록(240)으로 이루어져 있다.
구체적으로, 지그(220)는 단위셀 적층체의 상면에 접하는 본체 지그(221)와 단위셀 적층체의 좌측면에 접하는 측면 지그(222)를 포함하고 있어서, 단위셀 적층체(10)를 지지하면서 분리필름(210)을 감쌀 수 있다.
또한, 래핑 플레이트(230)는 지그(220)에 의해 단위셀 적층체(10)의 상면 및 좌측면이 분리필름(210)으로 감싸인 상태에서 단위셀 적층체(10)의 측면 지그(222)의 대향측으로부터 측면 지그(222) 방향으로 이동하여 분리필름(210)으로 단위셀 적층체(10)를 감싸게 된다.
이후, 실링 블록(240)이 측면 지그(222)의 방향으로 이동하면서 분리필름(210)의 중첩 부위(점선 표시 참조)를 열융착시키게 되며, 열융착이 이루어진 분리필름(210)은 열에 의해 자체적으로 커팅된다.
이러한 분리필름(210)은 각각 단위셀의 극판 및 단위셀 적층체들 사이에서 그것들의 절연상태를 유지할 수 있도록, 폴리프로필렌, 폴리프로필렌의 공중합체 또는 블랜드로 이루어진 소재 등이 사용된다.
한편, 단위셀 적층체(10)는 컨베이어 벨트(400)에 의해 래핑부(200)로부터 가열부(300)로 이송된다. 가열부(300)는 고온 챔버로서, 단위셀 적층체(10)를 감싼 분리필름(210)을 170℃에서 열수축시킴으로써, 열수축된 분리필름(210)이 단위셀 적층체(10)에 대해 고정 상태를 지지하고, 단위셀 적층체(10)를 외부로부터 보호하는 작용을 한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 둘 또는 그 이상의 단위셀들을 포함하는 전지셀을 제조하는 장치로서, 단위셀들이 상부로부터 유입되어 순차적으로 적층되는 단위셀 적층부;
    상기 적층부로부터 인취한 단위셀 적층체들의 외면을 분리필름에 의해 감싸는 래핑부; 및
    상기 단위셀 적층체의 외면을 감싸고 있는 분리필름을 열수축시키는 가열부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은 둘 또는 그 이상의 극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀 적층부는 상단이 개방되어 있고 하부방향으로 직경이 작아지는 호퍼 구조의 상부와, 단위셀 적층체에 대응하는 내부 크기를 가진 하부로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀 적층부의 하부에는 상기 단위셀 적층체가 순차적으로 인취될 수 있도록 하부 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀 적층부의 하부는 단위셀의 극판보다 크고, 분리막보다 작은 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀 적층부의 하부에는 단위셀의 분리막을 지지하는 단턱이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 단턱은 단위셀 적층부의 상하부의 경계 또는 하부 부위 또는 하부 배출구에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀 적층부의 하부에는 배기를 위한 관통구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 래핑부는,
    단위셀 적층체의 상면 또는 하면 중 일면을 분리필름으로 감싸는 지그;
    상기 지그에 의해 단위셀 적층체의 일면이 분리필름으로 감싸인 상태에서 상기 분리필름으로 대응면을 연속적으로 감싸는 래핑 플레이트; 및
    상기 단위셀 적층체의 상면 및 하면이 분리필름으로 감싸인 상태에서 분리필름의 중첩 부위를 열융착하는 실링 블록;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 지그는 단위셀 적층체의 상면 또는 하면에 접하는 본체 지그와 단위셀 적층체의 좌측면 또는 우측면에 접하는 측면 지그를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 래핑 플레이트는 단위셀 적층체에서 상기 측면 지그의 대향측으로부터 측면 지그 방향으로 이동하여 분리필름으로 단위셀 적층체를 감싸는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 실링 블록은 상기 측면 지그의 방향으로 이동하면서 분리필름의 중첩 부위를 열융착시키는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름은 폴리프로필렌, 폴리프로필렌의 공중합체 또는 블랜드로 이루어진 것을 특징으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부는 고온 챔버인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름은 150 ~ 180℃의 범위에서 열수축이 일어나는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀 적층체는 컨베이어 벨트에 의해 래핑부로부터 가열부로 이송되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 장치를 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
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