KR101500520B1 - 전극조립체의 폴딩 장치 - Google Patents

전극조립체의 폴딩 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서, 분리막의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부; 상기 웹을 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하고 분리필름을 절단하는 권취부로서, 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드를 포함하고 있고, 상기 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드가 순환 방식으로 권취 공정을 행하도록 구성되어 있는 권취부; 및 권취된 전극조립체를 이송시키는 취출부;를 포함하는 폴딩 장치를 제공한다.

Description

전극조립체의 폴딩 장치 {Device for Folding Electrode Assembly}
본 발명은 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서, 분리막의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부; 상기 웹을 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하고 분리필름을 절단하는 권취부로서, 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드를 포함하고 있고, 상기 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드가 순환 방식으로 권취 공정을 행하도록 구성되어 있는 권취부; 및 권취된 전극조립체를 이송시키는 취출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 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.
하지만, 전체 공정에 있어서 상기 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 공정이 병목구간으로 작용하여, 전체 공정성을 저하시키는 원인이 되고 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하기 위한 특정 구조의 폴딩 장치에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 2 개의 권취 헤드가 순환 방식으로 권취 공정을 행하는 권취부를 포함하는 폴딩 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폴딩 장치는, 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
분리막의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부;
상기 웹을 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하고 분리필름을 절단하는 권취부로서, 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드를 포함하고 있고, 상기 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드가 순환 방식으로 권취 공정을 행하도록 구성되어 있는 권취부; 및
권취된 전극조립체를 이송시키는 취출부;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
일반적으로 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 과정은, 웹을 권취하는 과정; 권취된 웹을 절단하는 과정; 및 웹에서 분리된 전극조립체를 이송하는 과정;의 세 과정으로 크게 구분할 수 있다. 본 발명의 장치는 두 개의 권취 헤드를 포함하고 있고, 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드가 순환 방식으로 권취 공정을 행함으로써 웹의 절단 이후 공정이 일시적으로 멈추는 것을 최소화할 수 있어 공정 효율성을 향상시킬 수 있다.
즉, 제 1 권취 헤드가 웹을 권취하여 전극조립체를 제조하고, 웹을 절단하기 전에 제 2 권취 헤드가 웹을 잡아 고정하고, 제 1 권취 헤드가 전극조립체를 취출부로 이송하고 돌아오는 동안 제 2 권취 헤드가 웹을 권취하여 전극조립체를 제조하게 된다.
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"로서 칭하고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀을 "A형 바이셀"로서 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 1에서 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, "+"와 "-" 전극이 순차적으로 배열되어 있을 수 있다.
상기 유닛셀이 바이셀인 경우, 도 2에서 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 권취 지그는 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. 하나의 예에서, 상기 웹을 길이 방향으로 권취하기 위해서 상기 지그는 웹의 폭 방향 양단부를 잡아 고정하도록 한 쌍으로 이루어질 수 있다.
상기 지그는 유닛셀과 분리필름을 동시에 잡고 권취함으로써 유닛셀 사이에 분리필름이 개재된 상태로 적층될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 폴딩 장치는 제 1 및 제 2 권취 헤드 각각이 웹의 이동 방향과 평행한 방향으로 대기 포지션(position), 권취 포지션(position) 및 취출 포지션(position)의 세 포지션(position)으로 상호 이동하고,
상기 권취 포지션에서 제 1 권취 헤드가 웹을 권취하는 동안, 제 2 권취 헤드는 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하며,
상기 권취가 종료된 후, 제 1 권취 헤드는 취출 포지션으로 이동하고, 제 2 권취 헤드는 권취 포지션으로 각각 수평방향 이동하며, 상기 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드 사이에서 커터가 웹을 절단하게 된다.
따라서, 상기 웹은 커팅되는 순간을 제외하고는 공급의 중단없이 연속적으로 공급될 수 있다. 이로 인하여, 전체 공정에서 병목 구간으로 작용할 수 있는 권취 공정의 효율성을 향상시킴으로써 전체 공정 효율을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
만약 본 발명의 폴딩 장치를 사용하지 않고 전체 공정 효율을 향상시키기 위해서는 별도의 생산 라인을 설치해야 하므로 비용적인 면에서 바람직하지 않다.
상기 제 1 권취 헤드 및 제 2 권취 헤드는 웹을 기준으로 각각 상하 방향으로 이동한 상태에서 수평 방향 이동을 하는 것이 바람직하다. 하나의 예에서, 상기 제 1 권취 헤드는 웹을 기준으로 수직 상향으로 이동한 상태로 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하고, 상기 제 2 권취 헤드는 웹을 기준으로 수직 하향으로 이동한 상태로 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하도록 구성될 수 있다.
상기와 같이, 서로 다른 방향으로 이격된 상태로 수평 방향 이동함으로써, 상호간의 움직임에 간섭을 주지 않을 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 폴딩 장치는 제 1 및 제 2 권취 헤드 각각의 회전축을 웹의 진행방향(X축 방향) 및/또는 웹의 진행방향에 대해 수직 방향(Y축 방향)으로 회전축의 위치를 변화시키는 회전축 보정부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 권취 헤드가 회전하면서 판상형의 유닛셀들을 권취하기 때문에, 웹의 인장력이 변하게 된다. 이러한 웹의 인장력 변화는 웹이 공급되기 이전의 전반적인 공정에 부정적인 영향을 미치게 된다. 또한, 공정 효율성을 향상시키기 위해 권취 속도를 높이게 되면, 웹이 진행 방향인 X축 방향에 대해 수직 방향인 Y축 방향으로 출렁이거나 심하게 흔들리면서 유닛셀의 전극 활물질이 비산하거나 분진이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여, 권취 시 웹의 X축 방향 및/또는 Y축 방향의 변위를 측정하여 이를 보상하는 크기로 X축 방향 및/또는 Y축 방향으로 회전축의 위치를 변화시킬 수 있다.
상기 X축 방향의 변위를 보정하는 방법으로, 웹의 X축 속도 변화를 보상하는 크기로 회전축의 위치를 주기적으로 변화시킬 수 있다. 이 경우, 권취 헤드의 회전 속도를 증가시키는 경우에도 장치에 무리한 충격량이 가해지지 않아 높은 공정 효율성을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 폴딩 장치에서, 상기 취출부의 개수에 특별한 제한은 없지만, 하나의 예에서, 상기 취출부는 제 1 권취 헤드에 의해 권취된 후 분리필름이 절단된 전극조립체를 취출하는 제 1 취출 그립퍼와, 제 2 권취 헤드에 의해 권취된 후 분리필름이 절단된 전극조립체를 취출하는 제 2 취출 그립퍼를 포함하는 구성일 수 있다.
상기 취출 그립퍼도 권취 헤드로부터 전극보립체를 취출하여 이송 라인으로 이동시키는 공정을 행하게 된다. 따라서, 전극조립체를 취출하여 이송하고 다시 취출하는 위치로 돌아오기까지 시간이 소요되므로, 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드의 권취 속도를 맞추기 위해서는 빠른 속도로 움직이거나 각각의 권취 헤드에 대응하는 취출 그립퍼를 구성할 수 있다. 그러나, 속도를 높이는 방법은 장치에 물리적 부하를 발생시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 제 1 및 제 2 취출 그립퍼는 그 운동 궤적에 있어 별도의 제한은 없지만, 하나의 바람직한 예에서, 상호 회전 방식으로 전극조립체를 순차적으로 취출하도록 구성될 수 있다.
구체적인 예로, 하나의 회전축의 양 말단에 제 1 및 제 2 취출 그립퍼가 구성되어 있고, 상기 회전축을 중심으로 회전하면서 제 1 취출 그립퍼가 전극조립체를 이송 라인으로 이송할 때 제 2 취출 그립퍼는 전극조립체를 취출하는 구성일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 장치를 사용하여 제조되는 스택/폴딩형 전극조립체를 제공하고, 상기 전극조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
이러한 이차전지의 대표적인 예로는 리튬염 함유 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
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.
한편, 리튬 이차전지는 전극조립체의 형태 및 전지케이스의 구조 및 형태에 따라, 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되기도 하는데, 그 중 폴딩 과정에서 문제가 되는 파우치형 전지에 본 발명이 바람직하게 적용될 수 있다.
파우치형 전지는 앞서 설명한 바와 같이, 금속층과 수지층을 포함하고 있는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전지로서, 일반적으로 알루미늄 라미네이트 시트의 케이스가 많이 사용되고 있다.
전극조립체를 사용하여 이차전지를 제조하는 방법 등은 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명은 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 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 폴딩 장치는 두 개의 권취 헤드를 포함함으로써, 권취 공정의 효율성을 향상시키고, 이로 인하여 전체 공정 효율성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가진다.
도 1은 유닛셀이 풀셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도이다;
도 2는 유닛셀들이 바이셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 폴딩 장치의 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정된 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 폴딩 장치를 모식적으로 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 폴딩 장치는 웹 공급부(도시하지 않음)에서 공급되는 웹(100)을 권취하는 권취부(200) 및 권취된 전극조립체(110)를 이송시키는 취출부(300)로 이루어져 있다.
상기 권취부(200)는 상기 웹(100)의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 제 1 권취 헤드(210)와 제 2 권취 헤드(220)를 포함하고 있다.
상기 제 1 권취 헤드(210) 및 제 2 권취 헤드(220) 각각은 웹(100)의 이동 방향과 평행한 방향으로 대기 포지션, 권취 포지션 및 취출 포지션의 세 포지션으로 상호 이동하게 된다. 도면에서 제 1 권취 헤드(210)가 취출 포지션이고, 제 2 권취 헤드(220)가 권취 포지션에 위치하고 있다. 이러한 위치에서 커터(250)가 웹을 절단하고 제 1 취출 그립퍼(310)가 전극조립체(110)을 취출한 뒤 제 1 권취 헤드(210)는 대기 포지션으로 이동한다. 대기 포지션으로 이동한 제 1 권취 헤드(211)를 점선으로 나타내었다.
상기 제 1 권취 헤드(210)는 웹(100)을 기준으로 수직 상향으로 이동한 상태로 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하고, 상기 제 2 권취 헤드(220)는 웹(100)을 기준으로 수직 하향으로 이동한 상태로 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하도록 구성되어 있다.
이러한 움직임을 위하여, 각각의 권취 헤드(210, 220)는 수평방향 동력부(240, 241) 및 수직방향 동력부(230, 231)와 연결되어 구성된다.
상기 취출부(300)는 회전체(330)를 중심으로 양쪽 말단부에 제 1 취출 그립퍼(310) 및 제 2 취출 그립퍼(320)가 위치하고 있다. 공간 활용을 위하여 상기 취출 그립퍼들(310, 320)은 회전체(330) 내부에서 슬라이딩 방식으로 연장되는 형태일 수 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. 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
    분리막의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부;
    상기 웹을 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하고 분리필름을 절단하는 권취부로서, 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드를 포함하고 있고, 상기 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드가 순환 방식으로 권취 공정을 행하도록 구성되어 있는 권취부; 및
    권취된 전극조립체를 이송시키는 취출부;
    를 포함하고 있으며,
    상기 유닛셀은 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀이 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.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀은 풀셀 또는 바이셀인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 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.
  5. 제 1 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.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 권취 헤드 각각은 유닛셀의 상단부와 상기 유닛셀에 대응하는 분리필름의 하단부에서 웹을 잡아 고정하는 지그 형태인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 지그는 웹의 폭 방향 양단부를 잡아 고정하도록 한 쌍으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 권취 헤드 각각은 웹의 이동 방향과 평행한 방향으로 대기 포지션(position), 권취 포지션(position) 및 취출 포지션(position)의 세 포지션(position)으로 상호 이동하고,
    상기 권취 포지션에서 제 1 권취 헤드가 웹을 권취하는 동안, 제 2 권취 헤드는 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하며,
    상기 권취가 종료된 후, 제 1 권취 헤드는 취출 포지션으로 이동하고, 제 2 권취 헤드는 권취 포지션으로 각각 수평방향 이동하며, 상기 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드 사이에서 커터가 웹을 절단하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 권취 헤드는 웹을 기준으로 수직 상향으로 이동한 상태로 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하고, 상기 제 2 권취 헤드는 웹을 기준으로 수직 하향으로 이동한 상태로 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 폴딩 장치는 제 1 및 제 2 권취 헤드 각각의 회전축을 웹의 진행방향(X축 방향), 또는 웹의 진행방향에 대해 수직 방향(Y축 방향), 또는 X축 방향 및 Y축 방향으로 회전축의 위치를 변화시키는 회전축 보정부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 취출부는, 제 1 권취 헤드에 의해 권취된 후 분리필름이 절단된 전극조립체를 취출하는 제 1 취출 그립퍼와, 제 2 권취 헤드에 의해 권취된 후 분리필름이 절단된 전극조립체를 취출하는 제 2 취출 그립퍼를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 취출 그립퍼는 상호 회전 방식으로 전극조립체를 순차적으로 취출하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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  18. 삭제
  19. 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
    분리막의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부;
    상기 웹을 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하고 분리필름을 절단하는 권취부로서, 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드를 포함하고 있고, 상기 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드가 순환 방식으로 권취 공정을 행하도록 구성되어 있는 권취부; 및
    권취된 전극조립체를 이송시키는 취출부;
    를 포함하고 있으며,
    상기 제 1 및 제 2 권취 헤드 각각은 웹의 이동 방향과 평행한 방향으로 대기 포지션(position), 권취 포지션(position) 및 취출 포지션(position)의 세 포지션(position)으로 상호 이동하고,
    상기 권취 포지션에서 제 1 권취 헤드가 웹을 권취하는 동안, 제 2 권취 헤드는 취출 포지션에서 대기 포지션으로 이동하며,
    상기 권취가 종료된 후, 제 1 권취 헤드는 취출 포지션으로 이동하고, 제 2 권취 헤드는 권취 포지션으로 각각 수평방향 이동하며, 상기 제 1 권취 헤드와 제 2 권취 헤드 사이에서 커터가 웹을 절단하는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
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