KR101326628B1 - 신규한 노칭 장치 및 이를 사용하여 생산되는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위해, 상기 전극 시트를 단위 전극 간격으로 노칭하는 장치로서, 위치 고정된 상태에서 전극 시트의 상단부와 하단부에 각각 노치를 타발하는 프레스; 및 전극 시트가 공급되는 방향을 기준으로 프레스의 후방에 위치하며, 상기 프레스의 동작에 맞춰 단위 전극에 대응하는 크기인 1피치씩 전극 시트를 인취하여 이송하는 둘 이상의 그립퍼들;을 포함하고 있고, 상기 그립퍼들 중 하나의 그립퍼가 전극 시트를 인취하여 이송하는 과정을 수행할 때, 나머지 그립퍼들은 인취를 위한 위치로 이동하는 노칭 장치를 제공한다.

Description

신규한 노칭 장치 및 이를 사용하여 생산되는 이차전지 {Novel Device for Notching and Secondary Battery Manufactured Using the Same}
본 발명은 신규한 노칭 장치로서, 구체적으로는 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위해, 상기 전극 시트를 단위 전극 간격으로 노칭하는 장치로서,
위치 고정된 상태에서 전극 시트의 상단부와 하단부에 각각 노치를 타발하는 프레스; 및 전극 시트가 공급되는 방향을 기준으로 프레스의 후방에 위치하며, 상기 프레스의 동작에 맞춰 단위 전극에 대응하는 크기인 1피치씩 전극 시트를 인취하여 이송하는 둘 이상의 그립퍼들;을 포함하고 있고, 상기 그립퍼들 중 하나의 그립퍼가 전극 시트를 인취하여 이송하는 과정을 수행할 때, 나머지 그립퍼들은 인취를 위한 위치로 이동하는 구조의 노칭 장치에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 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 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되는 형태로 제조된다. 상기 전극조립체는 제조 방법에 따라 스택형, 폴딩형 및 스택-폴딩형 등으로 구분된다. 스택형 또는 스택-폴딩형 전극조립체의 경우, 단위 조립체가 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 순차적으로 적층되는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전극조립체를 만들기 위해서는 양극과 음극을 먼저 제조하는 것이 필요하다.
즉, 양극과 음극 같은 단위 전극을 제조하기 위해서는 먼저 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트를 단위 전극 간격으로 노칭하는 과정이 필요하다. 상기 노칭 과정은 일반적으로 프레스를 사용하여 전극 시트의 일부에 노칭하는 방식이 사용되고 있다.
프레스 장치는 타발 물체인 전극 시트를 일정한 형태로 가공하는 장치로서, 연속 피딩 방식이 많이 사용되고 있다.
이러한 연속 피딩 방식은 프레스가 전극 시트를 이송하면서 동시에 타발하는 방식으로, 타발하는 전극 시트가 멈춤없이 계속 공급된다는 점에서 특징이 있다. 이 같은 연속 피딩 방식을 도 1과 함께 참조하면, 전극 시트(10)를 일정한 형상으로 타발하는 프레스(20)와 전극 시트(10)를 프레스(20)에 공급하는 피더(30)를 포함하고 있으며, 프레스(20) 역시 피더로서 일부 동작한다. 즉, 프레스(20)는 전극 시트(10)를 타발함과 동시에 이송 길이 중 절반을 이송하는 역할을 하며, 대기하던 피더(30)가 나머지 절반을 이송시키는 형태로, 전극 시트(10)를 일정한 속도로 연속적으로 이송한다.
그러나, 이러한 연속 피딩 방식은 전극 시트(10)를 일정한 속도로 공급할 수 있어서 프레스(20)가 안정적인 타발을 할 수는 있으나, 프레스(10)가 좌우로 이동시 함께 움직이는 금형(22)의 관성으로 인해 전극 시트를 고속에서 피딩하기 어려워, 생산성이 저하되는 문제가 발생하고, 이는 비용의 증가로 이어지게 된다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 새로운 노칭 장치의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 고속에서 안정적으로 전극 시트에 노치를 형성할 수 있는 노칭 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 노칭 장치를 사용하여 우수한 작동 특성을 발휘하는 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 노칭 장치는, 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위해, 상기 전극 시트를 단위 전극 간격으로 노칭하는 장치로서,
위치 고정된 상태에서 전극 시트의 상단부와 하단부에 각각 노치를 타발하는 프레스; 및
전극 시트가 공급되는 방향을 기준으로 프레스의 후방에 위치하며, 상기 프레스의 동작에 맞춰 단위 전극에 대응하는 크기인 1피치씩 전극 시트를 인취하여 이송하는 둘 이상의 그립퍼들;
을 포함하고 있고,
상기 그립퍼들 중 하나의 그립퍼가 전극 시트를 인취하여 이송하는 과정을 수행할 때, 나머지 그립퍼들은 인취를 위한 위치로 이동하는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 노칭 장치는 프레스의 후방에 위치한 그립퍼들이 전극 시트를 1피치씩 인취하고, 프레스는 그립퍼들의 작동으로 이송된 전극 시트를 타발하는 과정만 수행하는 구조로 구성되어 있으므로, 종래의 프레스가 이송 역할까지 수행하는 구조와 비교하여 노치를 전극 시트에 고속으로 형성할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 그립퍼들은 전극 시트를 교대로 인취하기 위해, 프레스에 인접한 위치의 제 1 그립퍼와, 상기 제 1 그립퍼의 후방에 위치하는 제 2 그립퍼로 이루어질 수 있다. 이러한 2개의 그립퍼로 이루어진 그립퍼들을 이하에서는 때때로 듀얼 그립퍼라 통칭하기도 한다.
구체적으로, 상기 듀얼 그립퍼의 동작은, 상기 제 1 그립퍼가 전극 시트를 상기 프레스로부터 인취하여 이송하는 동안, 상기 제 2 그립퍼는 인취를 위한 위치로 돌아와 제 1 그립퍼의 이송이 끝나는 시점에 연속하여 전극 시트를 프레스로부터 이송하게 된다.
상기 노치는 전극 시트의 상단부와 하단부에 서로 대칭하는 형상으로 각각 형성되어 있어서, 다음 공정인 커팅 공정에서 용이하게 절단할 수 있다.
상기 구조를 바탕으로 프레스의 타발 속도는, 예를 들어, 150 내지 300 SPM(Stroke Per Minute)일 수 있으며, 종래의 피딩 역할도 함께 수행하는 프레스와 비교할 때 분당 스트로크 횟수가 증가하게 된다. 예를 들어, 피딩과 타발을 동시에 수행하는 프레스는 100 SPM 이하의 타발 속도를 가지고 있다.
상기 프레스가 1회의 타발 동작으로 다수 개의 노치들을 형성하기 위해 적어도 2개 이상의 공동구(cavity)를 가진 금형을 포함하고 있는 구조로 이루어진 경우에는, 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 금형은 4개 또는 6개의 공동구를 가지고 있어서, 이러한 금형을 포함하고 있는 프레스는 1회의 타발 동작으로 4개 또는 6개의 노치를 형성할 수 있으며, 노치는 탭과 같은 형상을 포함할 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 전극 시트는 그것의 진행 방향으로 둘 이상의 열(列) 단위로 분할되어 1피치에서 둘 이상의 단위 전극들을 열 단위로 제조할 수 있도록, 프레스가 열 단위의 사이에도 노치들을 타발하는 구조로 구성될 수 있으며, 이 경우, 열 별로 분할된 전극 시트의 상단부와 하단부에 노치를 형성할 수 있고, 이는 열 단위로 분할되지 않은 전극 시트와 비교하여 생산성을 2배 향상시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 노칭 장치는 프레스의 전방에서 상기 그립퍼의 이송 방향과 반대 방향으로 상기 전극 시트에 백텐션(back tension)을 가하는 텐션부를 더 포함하고 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 텐션부는, 회전 가능하게 고정되어 있는 롤러와 상기 롤러에 축 연결되어 있는 모터를 포함하고 있고, 상기 모터는 상기 그립퍼와 연동되어 동작하는 구조로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 모터는 상기 그립퍼가 정지하는 위치를 기준으로 5 내지 10 mm 앞에서 동작을 정지함으로써, 전극 시트가 롤러와 슬립하면서 백텐션이 가해지도록 동작하게 된다.
상기 텐션부는, 전극 시트를 이송하는 롤러와, 상기 롤러의 구동을 정지시키는 파우더 브레이크(powder brake) 또는 토크 리미터(torque limiter)를 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 파우더 브레이크 또는 토크 리미터는 상기 그립퍼가 전극 시트를 프레스에 완전히 이송하기 전에 상기 롤러를 세워 전극 시트에 백텐션이 가해지도록 동작한다.
상기 노칭 장치는 전극 시트를 감고 있는 언와인더와, 전극 시트의 사행(蛇行)을 조정하는 사행조정부가 상기 텐션부의 전방에 순차적으로 배치되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 사행조정부와 상기 텐션부 사이에, 상기 언와인더와 연동하여 상기 전극 시트에 일정한 텐션을 유지하는 텐션-유지 모듈을 더 포함할 수 있다.
이러한 텐션-유지 모듈은 웨이트 댄서(weight dancer) 또는 에어 댄서(air dancer) 중의 어느 하나로 구성될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 노칭 장치는 그립퍼 후단에서 프레스가 노치를 타발한 전극 시트를 검사하는 검사부를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 검사부는, 타발된 전극 시트로부터 이미지 데이터를 획득하는 카메라와, 상기 이미지 데이터를 해석하는 판단모듈을 포함하는 구조로 구성된다.
한편, 상기 전극 시트는 탭을 포함하고 있는 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 탭은 노칭하는 과정에서 노치와 같이 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 노칭 장치를 사용하여 제조되는 전극조립체를 제공한다.
상기 전극조립체는 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 서로 적층된 구조로 이루어져 있다.
상기 양극은 예를 들어, 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
상기 양극 합제는 양극 활물질 이외에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등의 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
또한, 본 발명은 상기 전극조립체가 리튬염 함유 비수계 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지를 제공한다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스 등을 더 포함시킬 수도 있다.
상기 전지케이스는 원통형 캔, 각형 캔 또는 라미네이션 시트를 열융착한 파우치 형태일 수 있다. 이 중에서도 파우치형 케이스가 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많이 사용되고 있다.
상기 라미네이트 시트는 열융착이 행해지는 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 내구성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
상기 외부 수지층은 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성이 필요하다. 이러한 측면에서 외부 피복층의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 피복층은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)와 비교하여 얇은 두께에서도 우수한 인장강도와 내후성을 가지므로 외부 피복층으로 사용하기에 바람직하다.
상기 내부 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 라미네이트 시트는, 상기 외부 피복층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 상기 베리어층의 두께가 20 내지 150 ㎛이며, 상기 내부 실란트층의 두께가 10 내지 50 ㎛인 구조로 이루어질 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 각 층들의 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
상기와 같은 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 전지팩에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 노칭 장치는 고속에서 안정적으로 전극 시트에 노칭을 형성할 수 있으므로, 이는 전체 공정의 생산성을 크게 향상할 수 있다.
도 1은 종래의 노칭 장치의 부분 모식도다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 노칭 장치의 부분 모식도다;
도 3은 도 2의 전극 시트의 평면 모식도다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 시트의 평면 모식도다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노칭 장치의 구성도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노칭 장치의 공정 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 노칭 장치의 부분 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전극 시트의 평면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 노칭 장치(100a)는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트(10)로부터 다수의 단위 전극들(16)을 제조하기 위해, 전극 시트(10)를 단위 전극(16) 간격으로 노칭하고 있다.
또한, 노칭 장치(100a)는 위치 고정된 상태에서 전극 시트(10)의 상단부와 하단부에 각각의 노치들(11, 12)을 타발하는 프레스(20a)와 프레스(20a)의 동작에 맞춰 단위 전극(16)에 대응하는 크기인 1피치(p)씩 전극 시트(10)를 인취하여 이송하는 듀얼 그립퍼 구조의 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)로 이루어져 있다.
제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)는 전극 시트(10)가 공급되는 방향을 기준으로 프레스(20a)의 후방에 위치하고 있고, 제 1 그립퍼(30a)가 전극 시트(10)를 인취하여 이송할 때, 제 2 그립퍼(30b)는 인취를 위한 위치로 이동하고 있다.
구체적으로, 제 1 그립퍼(30a)가 전극 시트(10)를 프레스(20a)로부터 인취하여 B의 위치로 이송하는 동안, 제 2 그립퍼(30b)는 인취를 위한 C의 위치로 돌아와 제 1 그립퍼(30a)의 이송이 끝나는 시점(B)에 연속하여 전극 시트(10)를 프레스(20a)로부터 이송하고 있다.
노치들(11, 12)은 프레스(20a)에 의해 전극 시트(10)의 상단부와 하단부에 서로 대칭하는 형상으로 각각 형성된다.
또한, 프레스(20a)는 금형(22a)을 포함하고 있어 전극 시트(10)를 타발해 노치들(11, 12)을 만들고, 고정된 상태로 전극 시트(10)를 타발만 한다.
한편, 프레스(20a)는 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)와 동기화해서 움직인다. 즉, 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)는 프레스(20a)가 정지하고 있는 동안 동작해서 1 피치(p)만큼씩 전극 시트(10)를 잡아당겨 프레스(20a)로 전극 시트(10)를 피딩하고, 프레스(20a)가 타발하는 동안은 동작을 멈춘다.
그리고, 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)는 전극 시트(10)를 그립핑한 상태에서 인취 동작에 의해 전극 시트(10)를 프레스(40)로 1피치(p)씩 피딩한다. 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)의 동작은 상호 교대로 일어나는데, 제 1 그립퍼(30a)가 동작해 'A' 위치에서 'B' 위치로 움직여 전극 시트(10)를 1 피치만큼 피딩하는 동안, 제 2 그립퍼(30b)는 'D' 위치에서 'C' 위치의 대기 위치로 되돌아가 제 1 그립퍼(30a)에 이어서 바로 전극 시트(10)를 피딩할 수 있도록 위치한다.
제 1 그립퍼(30a)의 동작이 완료되는 시점, 즉 제 1 그립퍼(30a)가 'B' 위치로 이동해 피딩이 끝나 프레스(20a)가 타발하는 동안, 제 2 그립퍼(30b)는 전극 시트(10)를 그립핑해 피딩할 수 있도록 준비하며, 프레스(20a)의 타발이 완료되는 시점에서, 바로 제 2 그립퍼(30b)가 'C' 위치에서 'D' 위치로 움직여 연속해서 전극 시트(10)를 피딩한다.
이처럼, 그립퍼들(30a, 30b)을 2개로 구성하는 경우, 그립퍼가 하나인 경우에 발생하는 피딩 사이의 작업 끊어짐, 즉 그립퍼가 전극 시트(10)를 피딩한 후 다시 원 위치로 돌아가는 시간동안 작업이 중단되는 것을 방지하여 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 시트의 평면 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 도 2와 함께 참조하면, 프레스(20a)가 1열과 2열 사이에도 노치들(13, 14)을 타발하고, 전극 시트(10a)의 진행 방향으로 2개의 열 단위로 분할되어 1피치(p)에서 2개의 단위 전극들을 열 단위로 노칭한다.
프레스(20a)는 1회의 타발 동작으로 4개의 탭들(15)과 노치들(11, 12, 13, 14)을 형성하기 위해 4쌍의 공동구를 가진 금형(22b)을 포함하고 있다.
또한, 프레스(20a)는 전극 시트(10a)에 노치들(11, 12, 13, 14)을 형성하는 과정에서 4개의 탭들(15)을 동시에 형성하고 있다. 이러한 탭들(15)은 전극 시트(10a) 중 전극 활물질이 미도포된 부위에 형성되고, 전극 시트(10a)의 단위 열별로 상호 대칭되는 구조로 이루어져 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노칭 장치의 구성도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 공정 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 2 및 도 3과 함께 참조하면, 노칭 장치(200)는 언와인더(50), 사행조정부(60), 텐션부(70), 전극 시트(10)의 상단부와 하단부에 노치들(11, 12)을 타발하는 프레스(20a), 전극 시트(10)를 인취하여 프레스(20a)에 이송하는 제 1 그립퍼(30a) 및 제 2 그립퍼(30b), 검사부(80), 및 리와인더(90)로 구성되어 있다.
텐션부(70)는 프레스(20a)의 전방에서 제 1 그립퍼(30a) 및 제 2 그립퍼(30b)의 이송 방향과 반대 방향으로 전극 시트(10)에 백텐션을 가하고, 전극 시트(10)에 일정한 텐션을 유지하는 텐션-유지 모듈(71)을 포함하고 있다.
또한, 전극 시트(10)의 사행을 조정하는 사행조정부(60)가 전극 시트(10)를 감고 있는 언와인더(50)와 전극 시트(10)에 백텐션을 가하는 텐션부(70)의 사이에 위치하고 있고, 노치들(11, 12)이 타발된 전극 시트(10)를 검사하는 검사부(80)가 제 2 그립퍼(30b)의 후방에 위치하고 있다.
리와인더(90)는 검사가 완료된 전극시트를 되감기 위해 검사부(80) 의 후방에 위치하고 있고, 검사부(80)는, 노치가 타발된 전극 시트로부터 이미지 데이터를 획득하는 카메라(81)와 이미지 데이터를 해석하는 판단모듈(82)을 포함하고 있다.
구체적으로는, 언와인더(50)의 롤러에는 타발되는 전극 시트(10)가 감겨져 있고, 언와인더(50)의 롤러는 서보모터에 축 연결되어 있어서, 전극 시트(10)는 서보모터에 인가되는 제어신호에 따라 능동적으로 풀리도록 구성되어 있다.
사행조정부(60)는 전극 시트가 이송되는 과정에서 전극 시트(10)가 사행하지 않도록 조정한다. 사행조정부(60)를 구성하고 있는 센서(도시하지 않음)는 전극 시트(10)가 이송되는 과정에서 사행하는지를 센싱하고, 이에 따라 사행조정부(60)를 구성하고 있는 제 1 롤(61) 및 제 2 롤(62)이 축 방향으로 움직여서 전극 시트(10)가 사행하지 않도록 조정한다. 사행조정부(60)를 통과하면서 사행 조정된 전극 시트(10)는 텐션부(70)로 이송된다.
텐션부(70)는 프레스(20a)의 전단부에서 전극 시트(10)의 텐션을 조정해서 전극 시트(10)가 출렁거리지 않도록 하고, 텐션부(70)를 통과한 전극 시트(10)는 아이들 롤러(72)를 통해서 프레스(20a)로 이송된다.
프레스(20a)는 위치가 정지된 상태에서 금형에 따라 전극 시트(10)에 노치를 타발한다. 이러한 전극 시트(10)는 제 1 그립퍼(30a) 및 제 2 그립퍼(30b)의 동작에 따라 노치들(12) 사이의 거리(p)만큼 프레스(20a)에 공급되고, 이를 피치(p)라 한다.
제 1 그립퍼(30a) 및 제 2 그립퍼(30b)는 프레스(20a)가 타발하는 속도에 맞춰 전극 시트(10)를 인취하여 1피치만큼씩 프레스(20a)로 이송한다.
검사부(80)는 프레스(20a)가 타발한 것이 허용된 오차범위 내에 해당하는 지 여부에 대해 비젼 검사를 통해 확인한다. 검사부(80)를 통과한 전극 시트(10)는 리와인더(90)로 이송되어 롤(91)에 감기게 된다..
필요에 따라, 텐션부(70)는 프레스(20a)의 후단부에서 전극 시트(10)의 텐션을 유지해 전극 시트(10)가 팽팽한 상태를 유지하도록, 또 다른 텐션부(도시하지 않음)가 검사부(80)와 리와인더(90)의 사이에 위치할 수도 있다.
이러한 구성 외에, 타발된 전극 시트(10)가 리와인더(90)의 롤에 감길 때, 타발된 전극 시트(10)를 보호하기 위해서 타발된 전극 시트(10)와 같이 감아주는 보호재를 추가하는 장치가 추가될 수도 있다.
또한, 전극 시트(10)는 사행 조정부(60)에서 전극 시트(10)의 사행이 조정된 상태로 텐션부(70)로 이송된다.
프레스(20a)는 고정된 채로 전극 시트(10)를 타발하고, 제 1 그립퍼(30a) 및 제 2 그립퍼(30b)가 프레스(20a)의 타발이 끝나는 시점에서 순간의 고속으로 전극 시트(10)를 잡아당겨 프레스(20a)로 전극 시트(10)를 다시 공급한다. 이에 따라, 전극 시트(10)는 이동과 정지를 순간적으로 행하기 때문에, 관성에 의해 출렁거리므로, 이러한 문제는 텐션부(70)에 의해 해결된다.
텐션부(70)는 텐션-유지 모듈(71)과 백텐션 모듈(도시하지 않음)을 포함하고 있고, 텐션-유지 모듈(71)은 프레스의 전단부에서 프레스로 이송되는 전극 시트(10)에 일정한 텐션을 유지한다. 텐션-유지 모듈(71)인 웨이트 댄서는 공압 실린더(도시하지 않음)에 축으로 연결되어 있고, 웨이트 댄서의 움직인 각도를 측정하는 포텐셜미터(도시하지 않음)를 포함하고 있다.
웨이트 댄서(71)의 움직임은 포텐셜미터에 의해서 측정되고, 언와인더(50)가 이 측정값을 참조해서 재료를 많이 풀거나 적게 풀어 전극 시트(10)에 텐션을 일정하게 유지한다. 보다 상세하게는, 웨이트 댄서(71)가 반시계 방향으로 움직이는 경우, 언와인더(50)는 서보모터의 회전속도를 올려 롤로부터 재료가 더 많이 풀리도록 동작해서, 웨이트 댄서(71)가 공압 실린더의 힘에 위해 원위치로 돌아오면서 전극 시트(10)에 텐션을 가하도록 동작한다.
웨이트 댄서(71)가 시계 방향으로 움직이는 경우, 언와인더(50)는 서보모터의 회전속도를 낮춰 재료가 덜 풀리도록 동작해서, 웨이트 댄서(71)가 원 위치로 돌아오면서 전극 시트(10)에 가해지던 텐션을 줄이도록 동작한다.
이처럼, 웨이트 댄서(71)는 언와인더(50)와 동기화해서 동작하는 것으로, 프레스(20a)로 이송되는 전극 시트(10)에 항상 일정한 텐션이 유지되도록 동작한다.
백텐션 모듈(도시하지 않음)은 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)의 순간적 동작에 의해 전극 시트(10)가 출렁이는 것을 방지한다. 이 백텐션 모듈은 프레스(20a)의 전단부에 위치하고 있으며, 바람직하게는 서보롤러로 구성된다.
서보롤러는 서보모터(도시하지 않음)에 축 연결되어 있어, 제어 신호를 이용해서 서보롤러의 회전을 조절하도록 구성되어 있다.
이러한 서보롤러는 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)와 동기화해서 움직이도록 셋팅되어 있다. 즉, 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)의 동작시 서보모터가 동작해 서보롤러가 순방향으로 회전하고, 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)의 동작이 끝나는 시점에서 서보모터를 정지시켜 서보롤러의 회전이 멈추도록 한다. 바람직하게, 서보모터는 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)가 정지하기 5~10 mm 전에 정지하여, 서보롤러가 관성에 의해 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)의 정지 시점 이후에도 회전하는 것을 방지한다. 이처럼, 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)의 동작 정지 시점 전, 즉, 프레스(20a)로 전극 시트(10)의 이송을 완료하기 전에 서보롤러의 회전을 정지시켜, 전극 시트(10)와 서보롤러 사이에 슬립으로 발생하는 마찰력을 이용해서 전극 시트(10)가 더 당겨지는 현상을 제거할 수 있다. 결과적으로, 전극 시트(10)가 제 1 그립퍼(30a)와 제 2 그립퍼(30b)에 의해 더 당겨져, 관성에 의해 생기는 전극 시트(10)의 출렁거림을 해결할 수 있다.
카메라(81)는 이미지의 디지털 데이터를 획득하는 구성이라면, 어떠한 구성도 가능하나, 화질이 우수한 CCD(charge-coupled device)를 이미지 센서로 사용하는 카메라가 바람직하게 사용되고, 판단모듈(82)은 알고리즘에 따라 전극 시트(10)의 타발 상태가 좋은지 나쁜지를 판단한다.
검사부(80)에서 피치 검사가 끝난 전극 시트(10)는 롤러들에 의해서 리와인더(90)로 공급되고, 리와인더(90)에서, 타발된 전극시트는 롤에 감긴다.
한편, 검사부(80)와 리와인더(90) 사이에 재료의 텐션 유지를 위한 웨이트 댄서 또는 에어 댄서로 이루어진 후방 텐션부가 더 포함될 수도 있다.
또한, 사행조정부가 검사부(80)와 리와인더(90) 사이에 더 구성되는 것도 가능하며, 이 경우, 사행조정부는 타발된 재료가 롤에 다시 감길 때 사행되는 것을 막아준다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위해, 상기 전극 시트를 단위 전극 간격으로 노칭하는 장치로서,
    위치 고정된 상태에서 전극 시트의 상단부와 하단부에 각각 노치를 타발하는 프레스 및
    전극 시트가 공급되는 방향을 기준으로 프레스의 후방에 위치하며, 상기 프레스의 동작에 맞춰 단위 전극에 대응하는 크기인 1피치씩 전극 시트를 교대로 인취하여 이송하는 둘 이상의 그립퍼들
    을 포함하고 있고,
    상기 그립퍼들 중 하나의 그립퍼가 전극 시트를 인취하여 이송하는 과정을 수행할 때, 나머지 그립퍼들은 인취를 위한 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼들은 전극 시트를 교대로 인취하기 위해, 프레스에 인접한 위치의 제 1 그립퍼와, 상기 제 1 그립퍼의 후방에 위치하는 제 2 그립퍼로 이루어진 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 그립퍼가 전극 시트를 상기 프레스로부터 인취하여 이송하는 동안, 상기 제 2 그립퍼는 인취를 위한 위치로 돌아와 제 1 그립퍼의 이송이 끝나는 시점에 연속하여 전극 시트를 프레스로부터 이송하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 노치는 전극 시트의 상단부와 하단부에 서로 대칭하는 형상으로 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프레스는 1회의 타발 동작으로 다수 개의 노치들을 형성하기 위해 적어도 2개 이상의 공동구(cavity)를 가진 금형을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금형은 4개 또는 6개의 공동구를 가진 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 시트는 그것의 진행 방향으로 둘 이상의 열(列) 단위로 분할되어 1피치에서 둘 이상의 단위 전극들을 열 단위로 제조할 수 있도록, 열 단위의 사이에도 노치들을 타발하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 프레스의 전방에서 상기 그립퍼의 이송 방향과 반대 방향으로 상기 전극 시트에 백텐션(back tension)을 가하는 텐션부를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 텐션부는, 회전 가능하게 고정되어 있는 롤러와 상기 롤러에 축 연결되어 있는 모터를 포함하고 있고, 상기 모터는 상기 그립퍼와 연동되어 동작하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 텐션부는, 전극 시트를 이송하는 롤러와, 상기 롤러의 구동을 정지시키는 파우더 브레이크(powder brake) 또는 토크 리미터(torque limiter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 전극 시트를 감고 있는 언와인더와, 전극 시트의 사행(蛇行)을 조정하는 사행조정부가 상기 텐션부의 전방에 순차적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼 후단에서 프레스가 노치를 타발한 전극 시트를 검사하는 검사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 시트는 탭을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 노칭 장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 15 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 둘 또는 그 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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