KR101472878B1 - 신규한 구조의 이차전지용 권취기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 적층 시트를 권취하는 권취기에 있어서, 중심에 삽입 슬릿을 포함하는 원통형 중공의 본체부; 및 균일한 응력 분산을 유도하도록, 상기 본체부의 외면에 형성되는 둘 이상의 장력 인가부;를 포함하며, 상기 본체부의 일측에서 응력이 발생할 경우, 타측의 상기 장력 인가부에 의해 상기 적층 시트에 장력을 주어, 적층 시트가 균일하게 권취되는 것을 특징으로 하는 권취기를 제공한다.

Description

신규한 구조의 이차전지용 권취기 {Winder Using for Secondary Battery of Novel Structure}

본 발명은 신규한 구조의 이차전지용 권취기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 적층 시트를 권취하는 권취기에 있어서, 중심에 삽입 슬릿을 포함하는 원통형 중공의 본체부; 및 상기 본체부의 외면에 형성되는 둘 이상의 장력 인가부;를 포함하며, 상기 본체부의 일측에서 응력이 발생할 경우, 타측의 상기 장력 인가부에 의해 상기 적층 시트에 장력을 주어, 적층 시트가 균일하게 권취되는 권취기에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

그러한 젤리-롤형 전극조립체의 제조 과정에는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 적층체의 단부에 권심(mandrel)을 끼워 원통형으로 권취한 후 권심을 제거하는 공정이 포함되어 있다. 이때 사용되는 종래기술에 따른 권심의 구조가 도 1 에 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 권심(10)은 전체적으로 봉형의 부재로서, 그것의 중심에는 적층 시트가 삽입될 수 있도록 삽입 슬릿이 형성되어 있다. 그와 같이 분리된 단부는 단면상으로 두 개의 반원들(11a와 21b)이 대면하고 있는 구조로 되어 있다.

그러나, 이러한 종래기술의 권심(10)을 사용하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조할 때, 적층 시트의 권취로 인해 권취 후 불균일한 잔류 응력 및 각각의 시트 간에 비평형 권취, 및 전극조립체의 편심 등이 유발될 수 있다.

특히, 이러한 응력은 계속적인 충방전 과정에서 팽창과 수축을 반복하는 젤리-롤에 응력 집중을 초래하므로, 전지의 성능을 저하시키고 전극의 단선 및 내부 쇼트(short) 등 전지의 안전성을 저하시키는 주요 원인이 된다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 신규한 구조에 의해 적층 시트를 균일하게 권취할 수 있는 권취기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 권취기는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 적층 시트를 권취하는 권취기에 있어서,

중심에 삽입 슬릿을 포함하는 원통형 중공의 본체부; 및

균일한 응력 분산을 유도하도록, 상기 본체부의 외면에 형성되는 둘 이상의 장력 인가부;를 포함하며,

상기 본체부의 일측에서 응력이 발생할 경우, 타측의 상기 장력 인가부에 의해 상기 적층 시트에 장력을 주어, 적층 시트가 균일하게 권취될 수 있다.

이러한 권취기를 사용해 적층 시트를 권취하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하는 경우, 권취 과정에서 상기 장력 인가부에 의해 장력을 주며, 그 결과 적층 시트의 특정부위에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다.

상기 장력 인가부는 적층 시트가 균일하게 권취되고 적층 시트의 특정부위에 응력이 집중되지 않는 구조라면 특별히 한정하는 것은 아니며, 예를 들어 수평 단면상의 형상이 타원형의 형상일 수 있다

상기 권취기의 전체적인 형상은 적층 시트의 권취 형상에 영향을 미치는 바, 하나의 바람직한 예로서 스크류 형상으로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 권취기에 권취되는 적층 시트의 응력이 한 곳에 집중되는 것을 방지할 수 있다.

상기 장력 인가부는 필요에 따라 다양한 개수를 포함할 수 있는 바, 하나의 구체적인 예에서, 상기 장력 인가부가 2개일 때, 제 1 장력 인가부는 상기 본체부의 상단 일측에 돌출되고, 제 2 장력 인가부는 하단 대향측에 돌출되어 있는 구조일 수 있다.

즉, 적층 시트의 권취시, 예를 들어, 상기 적층 시트의 하단부에 응력이 집중된다면, 상기 제 1 장력 인가부에 의하여 상단부에 응력을 집중시켜 응력을 해소시키는 효과가 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 장력 인가부가 3개일 때, 제 1 장력 인가부는 상기 본체부의 상단 일측, 제 2 장력 인가부는 중단 일측, 및 제 3 장력 인가부는 하단 일측에 돌출되며, 수직 단면상 60도의 간격으로 형성되어 있을 수 있다.

상기에서 언급한 바와 같이, 적층 시트의 권취 공정 중 불균일한 권취가 발생하여 일부에 응력이 집중될 경우, 상기 장력 인가부가 적층 시트에 장력을 주어 집중된 응력을 분산시키고, 균일한 응력 분산을 유도하여 균일한 전극조립체를 제조할 수 있다.

상기 장력 인가부의 높이는 50 mm 내지 100 mm의 크기인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 60 mm 내지 100 mm 의 크기일 수 있다.

또한, 상기 장력 인가부의 폭은 2 mm 내지 3.5 mm의 크기일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 2.5 mm 내지 3.2 mm의 크기일 수 있다.

상기 장력 인가부의 높이와 폭이 너무 큰 경우에는 권취된 젤리-롤의 초기 외경이 상대적으로 증가하므로, 상기 젤리-롤 중심부의 내면과 센터 핀 사이에 공극이 발생하여 동일 규격 대비 전지 용량이 감소될 수 있고, 반대로 너무 작은 경우에는 상기 장력 인가부의 역할을 수행할 수 없으므로 바람직하지 않다.

한편, 상기 적층 시트는 그것의 단부가 권취기의 삽입 슬릿에 삽입되어 권취될 수 있다. 이를 위해, 상기 삽입 슬릿 사이는, 예를 들어, 대략 적층체의 폭에 대응하는 폭 또는 그보다 약간 큰 정도로 이격되어 있을 수 있다.

본 발명은 상기 권취기로 제조된 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다,

본 발명은 또한, 상기 젤리-롤형 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 원통형 이차전지를 제공한다.

일반적으로 젤리-롤형 전극조립체의 양극 호일에 용접되어 있는 양극 탭은 캡 어셈블리에 용접되어 전지 상단의 돌출 단자에 연결되며, 음극 호일에 용접되어 있는 음극 탭은 전지케이스(원통 캔)의 하단에 용접되어 캔 자체가 음극 단자를 구성한다. 이와 같은 장착 상태에서 전해액이 주입되고, 캔의 개방 상단을 밀봉하면 원통형 전지가 완성된다. 상기 원통형 캔의 소재는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 기타 구성 요소들에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.

일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.

양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.

상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.

리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.

양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 탄소 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 권취기는 본체부의 외면에 장력 인가부를 형성함으로써, 젤리-롤형 전극조립체의 권취 과정에서 발생하는 응력을 분산시킴으로써, 전극의 특정부위에 응력이 집중되는 것을 방지하여 장기간의 충방전시 전지의 성능 저하를 현저히 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 전극 단선 및 내부 쇼트(short)를 방지할 수 있어 전지의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 권취기의 정면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 권취기의 정면도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 권취기의 정면도이다;
도 4는 도 3의 권취기의 수직 단면도이다.

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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 권취기의 정면도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 적층 시트(도시하지 않음)를 권취하는 권취기(100)에 있어서, 중심에 삽입 슬릿(120)을 포함하는 원통형 중공의 본체부(110); 및 균일한 응력 분산을 유도하도록, 본체부(110)의 외면에 형성되는 두 개의 장력 인가부(130, 131);를 포함한다.

제 1 장력 인가부(130)는 본체부(110)의 상단 일측에 돌출되고, 제 2 장력 인가부(131)는 하단 대향측에 돌출되어 있으며, 수평 단면상 타원형의 형상을 이룬다.

따라서, 권취기는 제 1 및 제 2 장력 인가부(130, 131)로 인해 전체적인 형상이 스크류 형상을 이룬다.

한편, 장력 인가부(130, 131)의 높이(H)는 70 mm이고 장력 인가부(130, 131)의 폭(W)은 3 mm의 크기로 형성된다.

따라서, 적층 시트(140)의 단부가 권취기(100)의 삽입 슬릿(120)에 삽입되어 권취될 때, 적층 시트(140)의 하단부에 응력이 집중된다면, 제 1 장력 인가부(130)에 의하여 상단부에 응력을 집중시켜 응력을 해소시킬 수 있다.
하나의 실시예에서, 제 1 장력 인가부(130) 및 제 2 장력 인가부(131)가 본체부(110)의 중심점에 대해 대칭적으로 형성되어 있으며, 적층 시트가 본체부(110)의 제 1 장력 인가부(130) 및 제 2 장력 인가부(131) 양측에 번갈아가며 권취되면서 장력이 작용하게 된다. 제 1 장력부(130) 및 제 2 장력부(131)에 유발되는 장력이 커서 다른 부분의 작은 응력들은 영향을 미치지 못하고 상쇄된다.

도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 권취기의 정면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 권취기의 수직 단면도가 도시되어 있다.

이들 도면을 도 2와 함께 참조하면, 권취기(100a)의 제 1 장력 인가부(132)는 본체부(110)의 상단 일측, 제 2 장력 인가부(133)는 중단 일측, 및 제 3 장력 인가부(134)는 하단 일측에 돌출되며, 수직 단면상 60도의 각도(r)로 형성된다는 점을 제외하고는 상기 도 2의 구조와 동일하므로 생략한다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 적층 시트를 권취하는 권취기에 있어서,
   중심에 삽입 슬릿을 포함하는 원통형 중공의 본체부; 및
   균일한 응력 분산을 유도하도록, 상기 본체부의 외면에 형성되는 둘 이상의 장력 인가부;를 포함하며,
   상기 본체부의 일측에서 응력이 발생할 경우, 타측의 상기 장력 인가부에 의해 상기 적층 시트에 장력을 주어, 적층 시트가 균일하게 권취되며,
   상기 장력 인가부가 2개일 때, 제 1 장력 인가부는 상기 본체부의 상단 일측에 돌출되고, 제 2 장력 인가부는 하단 대향측에 돌출되어 있고,
   상기 장력 인가부가 3개일 때, 제 1 장력 인가부는 상기 본체부의 상단 일측, 제 2 장력 인가부는 중단 일측, 및 제 3 장력 인가부는 하단 일측에 돌출되며, 수직 단면상 60도의 간격으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 권취기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 장력 인가부는 수평 단면상 타원형의 형상인 것을 특징으로 하는 권취기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 권취기의 전체적인 형상은 스크류 형상인 것을 특징으로 하는 권취기.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 장력 인가부의 높이는 50 mm 내지 100 mm의 크기인 것을 특징으로 하는 권취기.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 장력 인가부의 폭은 2 mm 내지 3.5 mm의 크기인 것을 특징으로 하는 권취기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 적층 시트는 그것의 단부가 권취기의 삽입 슬릿에 삽입되어 권취되는 것을 특징으로 권취기.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 권취기로 제조된 젤리-롤형 전극조립체.
10. 제 9 항에 따른 젤리-롤형 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 원통형 이차전지.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.

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