KR101480742B1 - 전극조립체의 폴딩 장치 - Google Patents

전극조립체의 폴딩 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 권취형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서, 분리필름의 상면에 분리막을 사이에 포함하는 전극부가 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 라미네이션부; 상기 웹의 일단부를 잡아 분리필름이 개재된 상태로 권취하는 맨드렐(mandrel); 및 상기 맨드렐의 회전축이 위치하고, 상기 웹의 진행방향과 평행한 방향으로 왕복 직선운동을 하며, 상기 맨드렐의 회전 시 라미네이션부 방향으로 이동하고 권취된 웹의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동하는 구동부;를 포함하는 폴딩 장치를 제공한다.

Description

전극조립체의 폴딩 장치 {Device for Folding Electrode Assembly}
본 발명은 권취형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서, 분리필름의 상면에 분리막을 사이에 포함하는 전극부가 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 라미네이션부; 상기 웹의 일단부를 잡아 분리필름이 개재된 상태로 권취하는 맨드렐(mandrel); 및 상기 맨드렐의 회전축이 위치하고, 상기 웹의 진행방향과 평행한 방향으로 왕복 직선운동을 하며, 상기 맨드렐의 회전 시 라미네이션부 방향으로 이동하고 권취된 웹의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동하는 구동부;를 포함하는 폴딩 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 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. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 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 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시된 바가 있다. 본 출원에서는 이러한 구조의 전극조립체를 스택/폴딩형 전극조립체로서 칭한다.
상기와 같은 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 전지케이스에 내장한 구조의 이차전지는 다양한 형태일 수 있으며, 그것의 대표적인 예가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스를 사용하는 리튬이온 폴리머 전지(LiPB)이다.
리튬이온 폴리머 전지(LiPB)는 전극(양극 및 음극)과 분리막을 열융착시킨 전극조립체에 전해액을 함침시킨 구조로서, 주로 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉한 형태로서 많이 사용되고 있다. 따라서, 리튬이온 폴리머 전지를 종종 파우치형 전지로 칭하기도 한다.
상기 젤리롤형 및 스택/폴딩형 전극조립체를 폴딩하기 위해서 일반적으로 회전운동으로 전극조립체를 폴딩하는 장치를 사용한다. 도 1을 참조하면, 상기 장치는, 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위하여, 분리필름의 상면에 판상형 유닛셀(100, 101, 102 …)들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)(200)을 공급하는 라미네이션부(400)가 있고, 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 권취하는 멘드렐(mandrel)(300)을 포함하고 있다. 상기 맨드렐(300)이 회전하면서 유닛셀들(100, 101, 102 …)이 순차적으로 권취되어 적층된다.
그러나, 맨드렐(300)이 회전하면서 판상형의 유닛셀들(100, 101, 102 …)을 권취하여 전극조립체를 제조하고, 상기 전극조립체가 권취되면 웹(200)을 커팅하기 때문에, 웹(200)을 커팅하는 동안 추후 권취될 길이만큼 웹이 공급될 수 있도록 상기 라미네이션부(400)와 맨드렐(300) 사이에는 버퍼부가 필요하게 된다.
이 경우, 상기 버퍼부에서 웹(200)은 버퍼부의 길이보다 더 많은 양의 웹(200)이 공급되어 상기 웹(200)이 중력의 영향으로 하부로 곡선을 이루게 된다. 이러한 형태로 인하여 웹(200) 상에 배치되어 있는 유닛셀(100, 101, 102 …)들이 위치에서 이탈하여 불량이 발생할 가능성이 커진다.
상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방법으로, 상기 버퍼부의 길이를 충분히 길게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 상기 버퍼부가 길어질수록 권취 시 웹(200)의 상하 펄럭임이 심해져서 유닛셀(100, 101, 102 …)들의 불량을 야기할 수 있다. 또한, 버퍼부의 길이가 길어질수록 장치의 규모가 커지게 되어 효율성이 저하된다는 문제가 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 맨드렐(mandrel)이 왕복 직선운동을 하는 폴딩 장치를 개발하기에 이르렀고, 이러한 폴딩 장치를 사용하여 젤리-롤형 및/또는 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 경우, 불량이 줄어들 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 권취형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
분리필름의 상면에 분리막을 사이에 포함하는 전극부가 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 라미네이션부;
상기 웹의 일단부를 잡아 분리필름이 개재된 상태로 권취하는 맨드렐(mandrel); 및
상기 맨드렐의 회전축이 위치하고, 상기 웹의 진행방향과 평행한 방향으로 왕복 직선운동을 하며, 상기 맨드렐의 회전 시 라미네이션부 방향으로 이동하고 권취된 웹의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동하는 구동부;
를 포함하는 폴딩 장치를 제공한다.
상기 권취형 전극조립체의 예로는 젤리-롤형 전극조립체 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 들 수 있다. 상기 언급한 바와 같은 이유로 스택/폴딩형 전극조립체가 더욱 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명은 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
분리필름의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 라미네이션부;
상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 권취하는 맨드렐(mandrel); 및
상기 맨드렐의 회전축이 위치하고, 상기 웹의 진행방향과 평행한 방향으로 왕복 직선운동을 하며, 상기 맨드렐의 회전 시 라미네이션부 방향으로 이동하고 권취된 웹의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동하는 구동부;
를 포함하는 폴딩 장치를 제공한다.
상기 라미네이션부에서는 분리필름 상에 유닛셀들이 위치하도록 온도와 압력을 가하여 라미네이션 하는 과정을 수행하고 라미네이션 된 웹을 공급한다.
상기 라미네이션부와 맨드렐 사이에는 웹의 공급을 완충시키기 위한 버퍼부가 필요하게 된다. 이러한 버퍼부는 별도의 장치가 구성되는 것이 아니라 라미네이션부와 맨드렐 사이의 이격 공간을 의미한다.
상기 버퍼부는 권취 공정 후 웹을 커팅하고, 완성된 전극조립체를 이송시키고, 권취할 웹을 다시 세팅하는 동안에도 웹이 계속해서 공급되기 때문이다. 즉, 버퍼부 길이보다 긴 웹이 공급되어 웹이 아래쪽으로 처진 형상을 이루게 되어, 웹 상에 위치한 유닛셀들의 위치 불량이 발생하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 폴딩 장치를 사용하는 경우, 상기 맨드렐이 구동부에 연결되어, 권취 시 라미네이션부 방향으로 이동하고, 권취된 웹의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동함으로써 웹이 처져서 곡선을 이루는 것을 방지할 수 있으므로, 불량 발생을 억제할 수 있다.
상기 유닛셀은 풀셀 또는 바이셀인 것이 바람직하다.
상기 유닛셀로서의 풀셀은 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 등을 들 수 있다.
또한, 유닛셀로서의 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 셀이다. 본 명세서에서는 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 셀을 "C형 바이셀"으로서 칭하고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀을 "A형 바이셀"으로서 칭한다. 즉, 양측에 양극이 위치하는 셀을 C형 바이셀이라 하고, 양측에 음극이 위치하는 셀을 A형 바이셀이라 한다.
이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
풀셀과 바이셀은 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 이러한 결합 방법의 바람직한 예로는 열융착 방식을 들 수 있다.
풀셀과 바이셀에서 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 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 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 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 50 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 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 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 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 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. 본 발명에서 사용되는 분리막 필름은 상기 분리막과 동일한 소재일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 유닛셀은 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 사이에 간격을 주는 것은 권취 과정에서 1회 권취시 제 1 유닛셀의 외면이 분리필름으로 완전히 도포된 상태에서 다른 유닛셀의 전극과 대면하게 해 줌으로써, 근본적으로 전극끼리 접촉하여 일어날 수 있는 단락 등을 방지하기 위함이다.
상기 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 경우, 적층되는 면에서의 전극은 서로 다른 전극이 대향해야 한다. 이를 위하여, 풀셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 하고, 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 C형 바이셀과 A형 바이셀들을 적층하여야 한다.
상기 유닛셀이 풀셀인 경우, 도 2에서 나타내는 바와 같이, 제 1 풀셀(110)과 제 2 풀셀(111)은 동일한 전극이 위로 향하고, 제 2 풀셀 이후에는 순차적으로 다른 전극이 위로 향하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 1 풀셀(110)이 "+" 전극이 위로 향하고 있으면, 제 2 풀셀(111)도 "+" 전극이 위로 향하고 있고, 제 3 풀셀(112)은 "-" 전극이 위로 향하고 있게 된다. 이후, "+"과 "-" 전극이 순차적으로 배열되어 있을 수 있다.
상기 유닛셀이 바이셀인 경우, 도 3에서 나타내는 바와 같이, 제 1 바이셀(120)과 제 2 바이셀(121)은 서로 다른 종류의 셀이고, 제 2 바이셀 이후의 셀들은 동일 타입의 셀이 두 개씩 짝지어 있는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 1 바이셀(120)이 C형 바이셀이면, 제 2, 3 바이셀(121, 122)은 A형 바이셀이고, 제 4, 5 바이셀(123, 124)은 C형 바이셀이며, 이후 동일한 타입의 셀이 두 개씩 순차적으로 배열되어 있을 수 있다.
상기 맨드렐은 상기 웹을 권취할 수 있는 것이면 그 형태는 특별히 제한되지 않지만, 유닛셀의 상단부와 상기 유닛셀에 대응하는 분리필름의 하단부에서 웹을 잡아 고정하는 형태의 지그인 것이 바람직하다.
상기 지그는 유닛셀과 분리필름을 동시에 잡고 권취함으로써 유닛셀 사이에 분리필름이 개재된 상태로 적층될 수 있다.
본 발명의 하나의 예에서, 상기 폴딩 장치는 권취 시 라미네이션부의 웹을 고정하는 홀더(holder)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 홀더가 권취 과정에서 라미네이션부의 웹을 고정하는 경우, 상기 구동부는 권취 시 상기 맨드렐의 회전에 따른 웹의 권취 속도에 대응하여 라미네이션부로 이동할 수 있고, 상기 홀더가 웹을 고정하는 동안에 라미네이션부는 웹 공급을 중단하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 홀더가 웹을 고정하는 동안 라미네이션부가 웹 공급을 중단하지 않는다면, 종래와 동일한 유닛셀의 위치 불량 문제가 발생하게 되므로 바람직하지 않다.
상기 웹 공급 중단은 라미네이션 과정 자체를 중단하는 것을 예로 들 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 라미네이션 과정에서는 온도와 압력을 상기 웹에 인가하게 되는데, 공급이 중단된 상태로 온도와 압력을 일정 시간 동안 받는 부분에서 형태 또는 물성의 변화로 인한 불량이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다. 이는, 전지 제조시 전기화학적 성능의 저하로 이어질 수도 있다.
본 발명의 다른 하나의 예에서, 상기 폴딩 장치는 연속적인 웹 공급이 이루어지는 상황에서 웹을 권취하여 전극조립체를 제조하는 폴딩 장치일 수 있다.
이 경우, 상기 구동부는 권취 시 맨드렐의 회전에 따른 웹의 권취 속도 및 웹의 공급 속도 모두에 대응하여 라미네이션부로 이동할 수 있다. 상기 권취 속도는 회전 속도에서 구동부의 이동 방향에 대한 부분 속도만을 계산해야 하는데 회전에 따라 그 크기가 계속 바뀌므로 이를 감안하여 계산해야 한다. 또한, 상기 권취 속도와 웹의 공급 속도는 서로 반대 방향의 벡터값을 가지므로, 구동부의 이동 속도는 상기 권취 속도와 웹의 공급 속도의 합을 상쇄시킬 수 있는 속도를 가지는 것이 바람직하다. 그렇지 않을 경우, 웹에 텐션이 가해질 수 있고, 펄럭임이 유발되어 기존의 문제점을 해결하지 못할 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 상기 구동부는 상기 맨드렐의 회전축을 구동부의 진행 방향에 대해 수직 방향(Y축 방향)에서 위치 보정하는 Y축 방향의 회전축 보정부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 Y축 방향의 회전축 보정부는 권취 과정에서 웹의 상하 진폭을 최소화할 수 있도록, 구동부의 진행 방향에 대해 수직 방향(Y축)으로 회전축의 위치를 주기적으로 변화시키는 구조로 구성되어 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 회전축의 Y축 위치는 웹의 상향 또는 하향 위치 변동 시 상기 변동을 상쇄하는 방향으로 변화됨으로써, 권취 과정에서 웹의 상하 진폭을 제거할 수 있다. 웹이 Y축 방향으로 흔들리거나 출렁이는 현상이 일반적으로 주기성을 나타내므로, 상기와 같은 회전축의 Y축 위치의 변화 역시 그러한 웹의 변동에 대응하여 주기적으로 변화하게 된다.
본 발명은 또한, 상기에서 설명한 장치를 사용하여 제조되는 스택-폴딩형 전극조립체를 제공하고, 상기 전극조립체와 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성된 리튬 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, 피로피온산 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 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FEC(Fluoro-Ethlene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 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 따른 권취형 전극조립체의 폴딩 장치는 불량을 방지할 수 있고, 버퍼부의 길이를 줄일 수 있어, 공정 효율성을 증진시킬 수 있다.
도 1은 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치의 개략적인 모식도이다;
도 2는 유닛셀이 풀셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도이다;
도 3은 유닛셀이 바이셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도이다;
도 4는 기존 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치의 구동 관계도이다.
이하에서는, 본 발명의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 기존 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 기존의 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치는 분리필름의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(200)을 공급하는 라미네이션부(400)와 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 권취하는 맨드렐(300)로 구성되고, 상기 라미네이션부(400)와 맨드렐(300) 사이의 버퍼부에서 웹(200)이 아래쪽으로 큰 각도로 휘어져 있게 된다. 이러한 형태로 인하여 분리필름 상에 있는 유닛셀들의 위치가 이탈될 수 있다. 또한, 맨드렐(300)의 회전 시 상기 웹(200)의 진동 폭이 커지므로 상기와 같은 유닛셀의 위치 이탈이 심해진다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 상기 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치는 분리필름의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(200)을 공급하는 라미네이션부(400); 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 권취하는 맨드렐(300); 및 상기 맨드렐(300)의 회전축이 위치하고, 상기 웹(200)의 진행방향과 평행한 방향으로 왕복 직선운동을 하며, 상기 맨드렐(300)의 회전 시 라미네이션부(400) 방향으로 이동하고 권취된 웹(200)의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동하는 구동부(500)로 구성되어 있다.
하나의 예에서, 상기 권취된 웹(200)을 커팅하는 커터(550)은 상기 구동부(500)에 위치하고 있을 수 있다.
이러한 구성을 통하여, 상기 라미네이션부(400)와 맨드렐(300) 사이의 버퍼부에서 웹(200)이 큰 각도로 휘는 현상이 크게 줄어들게 된다. 따라서, 이로 인한 유닛셀의 위치 이탈이나, 권취 시 웹(200)의 진폭이 크게 줄어들어 불량률을 개선할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치의 구동 관계도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 구동부(500)가 웹(200)의 공급 속도에 대응하여 맨드렐(300)이 첫번째 유닛셀(도시하지 않음)을 잡은 상태로 웹(200)의 공급 방향으로 이동한다. 상기 구동부(500) 및 맨드렐(300)이 설정된 위치에 도달하면 라미네이션부(400)가 열리면서 라미네이션 공정이 중단되는 동시에 라미네이션부(400)의 전면에 위치한 홀더(600)가 웹(200)을 고정한다. 이후, 맨드렐(300)이 회전하면서 웹(200)을 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조한다. 상기 스택/폴딩형 전극조립체가 제조되면 커터(550)가 웹(200)을 커팅하고, 완성된 전극조립체를 이송부(700)를 통해 이송시킨다.
상기와 같은 장치로 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 경우, 웹(200)에 인가되는 장력을 일정하게 유지함으로써, 상기 웹(200)이 큰 각도로 휘어지는 것을 방지할 수 있고, 권취 시 진폭을 감소시킬 수 있어 유닛셀의 위치 불량을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 권취형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
    분리필름의 상면에 분리막을 사이에 포함하는 전극부가 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 라미네이션부;
    상기 웹의 일단부를 잡아 분리필름이 개재된 상태로 권취하는 맨드렐(mandrel); 및
    상기 맨드렐의 회전축이 위치하고, 상기 웹의 진행방향과 평행한 방향으로 왕복 직선운동을 하며, 상기 맨드렐의 회전 시 라미네이션부 방향으로 이동하고 권취된 웹의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동하는 구동부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 권취형 전극조립체는 스택/폴딩형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
    분리필름의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 라미네이션부;
    상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 권취하는 맨드렐(mandrel); 및
    상기 맨드렐의 회전축이 위치하고, 상기 웹의 진행방향과 평행한 방향으로 왕복 직선운동을 하며, 상기 맨드렐의 회전 시 라미네이션부 방향으로 이동하고 권취된 웹의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동하는 구동부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유닛셀은 바이셀 또는 풀셀인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 유닛셀은 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유닛셀이 풀셀인 경우, 제 1 풀셀과 제 2 풀셀은 동일한 전극이 위로 향하고, 제 2 풀셀 이후에는 순차적으로 다른 전극이 위로 향하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 유닛셀이 바이셀인 경우, 제 1 바이셀과 제 2 바이셀은 서로 다른 타입의 셀이고, 제 2 바이셀 이후의 셀들은 동일 타입의 셀이 두 개씩 짝지어 있는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 맨드렐은 유닛셀의 상단부와 상기 유닛셀에 대응하는 분리필름의 하단부에서 웹을 잡아 고정하는 형태의 지그인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 폴딩 장치는 권취 시 라미네이션부의 웹을 고정하는 홀더(holder)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 구동부는 권취 시 상기 맨드렐의 회전에 따른 웹의 권취 속도에 대응하여 라미네이션부로 이동하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 홀더가 웹을 고정하는 동안에 라미네이션부는 웹 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 폴딩 장치는 연속적인 웹 공급이 이루어지는 상황에서 웹을 권취하여 전극조립체를 제조하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 구동부는 권취 시 맨드렐의 회전에 따른 웹의 권취 속도 및 웹의 공급 속도에 대응하여 라미네이션부로 이동하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 구동부는 상기 맨드렐의 회전축을 구동부의 진행 방향에 대해 수직 방향(Y축 방향)에서 위치 보정하는 Y축 방향의 회전축 보정부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 회전축의 Y축 위치는 웹의 상향 또는 하향 위치 변동 시 상기 변동을 상쇄하는 방향으로 변화되는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 하나의 장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 스택/폴딩형 전극조립체.
  17. 제 16 항에 따른 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 권취형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
    분리필름의 상면에 분리막을 사이에 포함하는 전극부가 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 라미네이션부;
    상기 웹의 일단부를 잡아 분리필름이 개재된 상태로 권취하는 맨드렐(mandrel); 및
    상기 맨드렐의 회전축이 위치하고, 상기 웹의 진행방향과 평행한 방향으로 왕복 직선운동을 하며, 상기 맨드렐의 회전 시 라미네이션부 방향으로 이동하고 권취된 웹의 커팅 시에는 웹 공급 속도와 동일하게 원위치로 이동하는 구동부;
    를 포함하고;
    상기 권취형 전극조립체는 젤리-롤형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  19. 제 18 항의 장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
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