KR101561445B1 - 신규한 구조의 전극 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위한 장치로서, 전극 시트가 감겨져 있는 롤러 형상의 권출기(unwinder); 상기 권출기로부터 이송된 전극 시트의 위치를 모니터링하여 보정하는 사행 보정부; 상기 전극시트가 모두 권출될 경우 새로운 전극시트를 연결하는 스플라이스부(splice); 스캐너를 이용하여 상기 전극시트를 슬리팅(slitting) 및 노칭(notching) 하는 레이저를 포함하는 재단부; 상기 재단부 하단에 위치하며 상기 레이저에 의해 재단된 스크랩을 분리하는 스크랩 제거부; 상기 재단된 전극의 패턴 및 치수를 이미지 센서에 의해 검사하는 비전(vision)부; 상기 전극의 패턴을 유지하고 권취시 공기 유입을 방지하는 롤러 형상의 터치롤; 및 상기 터치롤에서 전극을 되감는 롤러 형상의 권취기(rewinder); 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조장치를 제공한다.

Description

신규한 구조의 전극 제조장치 {Electrode Manufacturing Device of Novel Structure}

본 발명은 신규한 구조의 전극 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위한 장치로서, 전극 시트가 감겨져 있는 롤러 형상의 권출기; 상기 권출기로부터 이송된 전극 시트의 위치를 모니터링하여 보정하는 사행 보정부; 상기 전극시트가 모두 권출될 경우 새로운 전극시트를 연결하는 스플라이스부; 스캐너를 이용하여 상기 전극시트를 슬리팅 및 노칭 하는 레이저를 포함하는 재단부; 상기 재단부 하단에 위치하며 상기 레이저에 의해 재단된 스크랩을 분리하는 스크랩 제거부; 상기 재단된 전극의 패턴 및 치수를 이미지 센서에 의해 검사하는 비전부; 상기 전극의 패턴을 유지하고 권취시 공기 유입을 방지하는 롤러 형상의 터치롤; 및 상기 터치롤에서 전극을 되감는 롤러 형상의 권취기;를 포함하는 제조장치에 관한 것이다.

화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경 오염의 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

일반적으로, 이차전지는 집전체의 표면에 활물질을 도포하여 양극과 음극을 구성하고 그 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 만든 후, 원통형 또는 각형의 금속 캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극조립체에 주로 액체 전해질을 주입 또는 합침시키거나 고체 전해질을 사용하여 제조된다.

여기서, 전극조립체는 전지케이스의 크기 및 형태와 사용되는 분야에서 요구되는 용량 등에 따라 다양한 크기로 제조되는데, 그러기 위해서는 전극조립체를 구성하는 전극 및 분리막을 소정의 크기로 재단하는 공정이 필수적이다.

전극 및 분리막의 절단공정으로는 다이와 펀치를 이용한 전단금형 기술이 많이 사용되고 있으나, 상기의 방법으로 금속 집전체와 활물질층으로 구성된 전극을 재단할 경우, 다음과 같은 문제점들이 발생한다.

첫째, 전단금형으로 전극을 재단할 경우, 상기 전극의 전단면을 매끄럽게 하기 위하여 금형을 주기적으로 연마해 주어야 하는 번거로움이 발생한다. 또한, 금형을 주기적으로 연마를 해준다 하더라도, 전극의 단부면에 버(burr)가 발생될 가능성이 높기 때문에 이차전지의 안전성에 문제가 발생할 수도 있다. 즉, 전극의 단부면에 발생한 버는 전지의 조립과정 또는 작동 중 주기적인 팽창 및 수축 과정에서 분리막을 관통하여 반대 전극에 접촉함으로써 내부 단락을 유발할 수 있다.

둘째, 전단금형으로는 소망하는 크기의 전극을 정밀하게 재단하기 어렵기 때문에, 우선 전극을 대략적인 크기로 1차 절단한 다음 소망하는 크기로 2차 절단하는 2회의 절단공정을 사용하여 재단한다. 따라서, 공정회수가 늘어나게 되고, 결과적으로 제조시간 및 비용이 증가하게 된다.

셋째, 전단금형은 그 형태가 일정하기 때문에 다양한 크기 및 형태의 전극을 재단하는데 어려움이 있는 바, 새로운 크기 및 형태의 전극을 재단하기 위해서는 새로운 금형을 다시 제작하여야 하므로 제조비용이 증가되는 단점을 가지고 있다.

넷째, 전단금형으로 전극을 재단할 경우, 전극의 절단 과정에서 다소 많은 양의 전극 분진이 발생하는 하는 바, 이러한 다량의 전극 분진은 전지에 혼입되어 전지의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하는 문제점을 가지고 있다.

이와 관련하여, 공개특허공보 제2001-0007879호, 한국 공개특허공보 제2007-0064690호, 한국 공개특허공보 제2008-0101725호는 레이저를 이용한 이차전지 전극의 제조방법에 관한 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기한 선행기술들은 이차전지 전극을 직선 절단하는 기술에 관한 것으로서, 특정한 형상을 가공하기에는 적합하지 않고, 전극을 재단한 후 손상 없이 권취하는 기술을 제공하지 못하는 문제점이 있다.

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

따라서, 본 발명의 목적은 이차전지용 전극을 소망하는 형상으로 가공하기에 적합하고, 가공효율이 우수한 전극 제조장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 하나의 목적은, 자동으로 장력 및 속도 제어가 가능하여 안전성 및 공정성이 향상된 제조장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 하나의 목적은 상기한 제조장치를 이용하여 제조한 이차전지용 전극을 포함한 이차전지를 제공하는 것이다.

따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제조장치는, 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위한 장치로서,

전극 시트가 감겨져 있는 롤러 형상의 권출기(unwinder);

상기 권출기로부터 이송된 전극 시트의 위치를 모니터링하여 보정하는 사행 보정부;

상기 전극시트가 모두 권출될 경우 새로운 전극시트를 연결하는 스플라이스부(splice);

스캐너를 이용하여 상기 전극시트를 슬리팅(slitting) 및 노칭(notching) 하는 레이저를 포함하는 재단부;

상기 재단부 하단에 위치하며 상기 레이저에 의해 재단된 스크랩을 분리하는 스크랩 제거부;

상기 재단된 전극의 패턴 및 치수를 이미지 센서에 의해 검사하는 비전(vision)부;

상기 전극의 패턴을 유지하고 권취시 공기 유입을 방지하는 롤러 형상의 터치롤; 및

상기 터치롤에서 전극을 되감는 롤러 형상의 권취기(rewinder);

를 포함하고 있다.

즉, 본 발명에 따른 제조장치는, 단순히 전극을 직선 절단하는 것 이외에 전극 형상의 제조를 위한 전단계로서의 노칭(notching) 공정 및 전극 탭의 형상 가공이 가능하다. 그 결과, 본 발명의 제조장치는, 별도의 노칭 설비 등을 구비함으로 인해 발생하는 비용을 감소시킬 수 있고, 가격 경쟁력이 우수한 이차전지를 제공할 수 있다.

또한, 노칭 설비 등이 설치된 장소로 전극을 이동시킬 필요가 없고, 한 공간에서 연속작업으로 후 공정을 진행시킬 수 있으므로, 공정성을 향상시키는 효과를 발휘한다.

더욱이, 하기와 같이 장력 및 속도에 대해 실시간 자동 제어가 가능하므로 자동화 공정에 적합하고 높은 생산성을 제공할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 권출기에 인접한 위치에는 파우더 브레이크(powder brake)가 위치하고 있고, 권취기에 인접한 위치에는 서보 모터(servo motor)가 위치하는 구조일 수 있다.

이러한 구조에서, 상기 파우더 브레이크는 권출기에서 이송된 전극시트의 장력을 감지하여 실시간 제어할 수 있고, 재단된 상태의 전극 시트는 상기 서보 모터가 인코더에 의해 속도를 감지하고, 마찰 롤(friction roll)에 의해 공기 압력으로 장력을 감지하여 제어할 수 있다.

따라서, 전극시트의 장력을 실시간으로 자동 제어하여 재단부로 용이하게 이송시키고, 슬리팅 및 노칭 후 전극시트의 형상이 손상 없이 권취 가능하도록 장력 및 감김 제어를 수행하므로 매우 바람직하다.

한편, 상기 재단부는 그 부피 및 제조 장치의 구조에 따라 위치를 다양하게 구성할 수 있으며, 예를 들어, 전극시트가 이동하는 방향을 기준으로 전후에 각각 2개 전방 레이저 및 4개의 후방 레이저가 구비되어 있을 수 있다.

따라서, 상기 전방 레이저 및 후방 레이저에 의해 전극의 상부 및 하부 패턴을 각각 가공할 수 있다.

상기 구조에서, 재단부의 하단에 인접하게 위치하며, 상기 전방 레이저에 의해 1차 재단 후 후방 레이저에 의해 2차 재단시 장력을 제어하는 롤러들을 추가로 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 롤러들은 전방 레이저 및 후방 레이저의 외측에 대응하는 위치에 엑티브 롤러(active roller)를 포함하고, 상기 전방 레이저 및 후방 레이저 내측에 대응하는 위치 및 상기 스크랩 제거부에 대응하는 위치에 텐션 롤러(tension roller)를 포함할 수 있다. 여기서, 모터가 달려 있는 구조의 엑티브 롤러는 전극을 붙잡는 구조로 형성되어 전체 장력을 용이하게 제어할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 텐션 롤러는 상부 롤러 및 하부 롤러로 구성될 수 있으며, 상기 하부 롤러는 고정되어 있고, 상부 롤러를 미세하게 움직이며 전극시트의 장력을 제어할 수 있다.

이 때, 상기 파우더 브레이크의 장력 크기는 재단부를 거친 위치인 텐션 롤러의 장력 크기보다 큰 크기로 제어되는 바, 바람직하게는, 상기 텐션 롤러의 장력 크기가 ±0.1%인 경우에 상기 파우더 브레이크에 의한 장력 크기는 ±1%로 제어될 수 있다.

한편, 이차전지의 전극 소재는 얇은 금속 호일과 코팅층으로 형성되어 있으므로, 이차전지의 전극을 레이저를 사용하여 절단하는 경우, 얇은 전극 소재를 정밀하게 절단함으로써 절단면에 발생하는 버(burr)를 최소화할 수 있고, 레이저의 열이 소재에 전달되어 발생되는 전극 소재의 손상을 최소화할 수 있는 레이저가 요구된다.

하나의 바람직한 예에서, 발진 방식이 파이버 펄스(Fiber Pulse)인 레이저를 전극 절단작업에 사용함으로써, 재단시 절단면에 발생될 수 있는 버 및 전극 분진을 최소화 하고, 금속 호일 및 코팅층이 열손상 되는 것을 방지할 수 있다.

이 경우, 상기 레이저의 출력 용량은 100W 이상이고, 800 내지 35000 kHz의 펄스 반복율로 발진하며, 1050 내자 1080 nm 파장대로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 스플라이스부는 전극시트를 새로 연결시 호일 리더에 의해 호일을 감아 전극시트가 흘러 들어가는 구조일 수 있다.

본 발명은 또한 상기한 제조장치를 사용하여 제조한 이차전지용 전극 및 상기 이차전지용 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.

상기한 이차전지용 전극은 NMP 등의 용매에 전극 활물질, 바인더, 도전제, 충진제 등을 선택적으로 혼합하여 만들어진 슬러리를 금속 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.

상기 금속 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 금속이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 양극 집전체로는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있으며, 음극 집전체로는 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.

상기 금속 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 제조되는데, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극 활물질의 접착력을 높일 수도 있고, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 리튬 이차전지는, 상기와 같은 방법으로 제조된 양극과 음극, 및 그 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체와, 리튬염 함유 비수계 전해질을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-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 LiNi_1-xM_xO₂ (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 LiMn_2-xM_xO₂ (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 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 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 도전제 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 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.

음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전제, 바인더, 충진제 등이 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (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; 크라프트지 등이 사용된다.

경우에 따라서, 상기 분리막 위에는 전지의 안정성을 높이기 위하여 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수 있다. 이러한 겔 폴리머 중 대표적인 것으로 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로나이트릴 등이 있다.

전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

상기 리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수 전해액으로는, 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 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO_4-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO_4-LiI-LiOH, Li₃PO_4-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, 비수계 전해질에는 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 있다.

상기 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 전지모듈을 중대형 디바이스의 전원으로 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 및 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이상에서와 같이, 본 발명의 전극 제조장치는, 자동화 공정에 최적의 조건을 갖추고 있으며, 현저히 우수한 전극 가공효율 및 전극 가공품질을 발휘하므로, 이를 이용하여 제조된 전극을 포함하는 이차전지는 안전성이 현저히 향상되는 효과를 발휘하는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조장치의 모식도다;
도 2는 도 1의 제조장치의 측면도이다;
도 3은 파우더 브레이크와 서보 모터의 모식도이다;
도 4는 도 1의 A 및 도 3의 B에 위치하는 롤러들의 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 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조장치의 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 제조장치의 측면도가 모식적을 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전극 제조장치(100)는, 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트(10)로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위한 장치이다.

이러한 전극 제조장치(100)는 전극 시트(10)가 감겨져 있는 롤러 형상의 권출기(110); 권출기(110)로부터 이송된 전극 시트(10)의 위치를 모니터링하여 보정하며 EPC 센서로 이루어진 사행 보정부(120); 전극시트(10)가 모두 권출될 경우 새로운 전극시트를 연결하는 스플라이스부(130); 갈바노미터 스캐너(도시하지 않음)를 이용하여 전극시트(10)를 슬리팅 및 노칭 하는 레이저를 포함하는 재단부(140); 재단부(140)의 하단에 위치하며 레이저(141, 142)에 의해 재단된 스크랩을 분리하는 스크랩 제거부(150); 재단된 전극의 패턴 및 치수를 이미지 센서에 의해 검사하는 비전부(160); 전극의 패턴을 유지하고 권취시 공기 유입을 방지하는 롤러 형상의 터치롤(170); 및 터치롤(170)에서 전극을 되감는 롤러 형상의 권취기(180)로 구성되어 있다.

스플라이스부(130)는 전극시트(10)를 새로 연결시 호일 리더(135)에 의해 호일을 감아 전극시트(10)가 흘러 들어갈 수 있도록 한다.

재단부(140)는 전극시트(10)가 이동하는 방향(화살표)을 기준으로 전후에 각각 2개 전방 레이저들(141) 및 4개의 후방 레이저들(142)가 구비되어 있다.

구체적으로, 레이저들(141, 142)은 각각 파이버 펄스 레이저로서, 출력 용량은 약 150W이고, 펄스 반복율은 약 10000 kHz이며, 레이저의 파장은 1060 nm이다.

따라서, 재단시 절단면에 발생될 수 있는 버 및 전극 분진을 최소화 하고, 금속 호일 및 코팅층이 열손상 되는 것을 방지하면서 슬리팅과 노칭을 수행할 수 있다.

도 3에는 파우더 브레이크와 서보 모터의 모식도가 도시되어 있다.

도 3을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 권출기(110)에 인접한 위치에는 파우더 브레이크(200)가 위치하고 있고, 권취기(180)에 인접한 위치에는 서보 모터(210)가 위치하고 있다.

파우더 브레이크(200)는 적재된 전극시트(10)의 장력을 감지(201)하여 제어하여 재단부(140)로 용이하게 이송시킨다.

서보 모터(210)는 슬리팅 및 노칭 후 금속 호일(11)과 코팅층(12)으로 형성되어 있는 전극시트(10)의 형상이 손상 없이 권취 가능하도록, 인코더(211)에 의해 속도를 감지하고, 마찰 롤(212)에 의해 공기 압력으로 장력을 감지하여 제어한다.

도 4에는 도 1의 A 및 도 3의 B에 위치하는 롤러들의 모식도가 도시되어 있다.

도 4를 도 1 내지 도 3과 함께 참조하면, 롤러들(300)은 재단부(140)의 하단에 인접하게 위치하며, 전방 레이저(141)에 의해 1차 재단 후 후방 레이저(142)에 의해 2차 재단시 장력을 제어한다.

구체적으로, 롤러들(300)은 전방 레이저(141) 및 후방 레이저(142)의 외측에 대응하는 위치에 엑티브 롤러(310)를 포함하고, 전방 레이저(141) 및 후방 레이저(142)의 내측에 대응하는 위치, 즉, 레이저 영역(빗금 표시) 내측 및 스크랩 제거부(150)에 대응하는 위치에 텐션 롤러(320)를 포함한다.

텐션 롤러(320)는 상부 롤러(321) 및 하부 롤러(322)로 구성되어 있으며, 하부 롤러(322)는 고정되어 있고, 상부 롤러(321)를 움직일 수 있어서 전극시트(10)의 장력을 제어한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 제조장치(100)는 장력을 용이하게 제어하면서 실시간으로 전극시트의 형상 가공이 가능하다.

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 (18)

1. 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위한 장치로서,
   전극 시트가 감겨져 있는 롤러 형상의 권출기(unwinder);
   상기 권출기로부터 이송된 전극 시트의 위치를 모니터링하여 보정하는 사행 보정부;
   상기 전극시트가 모두 권출될 경우 새로운 전극시트를 연결하는 스플라이스부(splice);
   스캐너를 이용하여 상기 전극시트를 슬리팅(slitting) 및 노칭(notching) 또는 전극 탭의 형상을 가공하는 레이저를 포함하고, 상기 전극시트가 이동하는 방향을 기준으로 전후에 각각 2개 전방 레이저 및 4개의 후방 레이저가 구비되어 있는 재단부;
   상기 재단부의 하단에 인접하게 위치하며, 상기 전방 레이저에 의해 1차 재단 후 후방 레이저에 의해 2차 재단시 장력을 제어하며, 상기 전방 레이저 및 후방 레이저의 외측에 대응하는 위치의 엑티브 롤러(active roller)와 상기 전방 레이저 및 후방 레이저 내측에 대응하는 위치 및 하기 스크랩 제거부에 대응하는 위치의 텐션 롤러(tension roller)를 포함하는 롤러들;
   상기 재단부 하단에 위치하며 상기 레이저에 의해 재단된 스크랩을 분리하는 스크랩 제거부;
   상기 재단된 전극의 패턴 및 치수를 이미지 센서에 의해 검사하는 비전(vision)부;
   상기 전극의 패턴을 유지하고 권취시 공기 유입을 방지하는 롤러 형상의 터치롤; 및
   상기 터치롤에서 전극을 되감는 롤러 형상의 권취기(rewinder);
   를 포함하고 있고,
   상기 텐션 롤러는 상부 롤러 및 한 쌍의 하부 롤러들로 구성되어 있으며, 상기 하부 롤러는 상부 롤러를 중심으로 대칭하는 부위로서 상기 전방 레이저 및 후방 레이저의 내측인 레이저 영역의 대응하는 위치에 고정되어 있고, 상부 롤러를 움직여 전극시트의 장력을 제어하는 것을 특징으로 하는 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 권출기에 인접한 위치에는 파우더 브레이크(pouder brake)가 위치하고 있고, 권취기에 인접한 위치에는 서보 모터(servo motor)가 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 제조장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 파우더 브레이크는 적재된 전극시트의 장력을 감지하여 제어하는 것을 특징으로 하는 제조장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 서보모터는 인코더에 의해 속도를 감지하고, 마찰 롤(friction roll)에 의해 공기 압력으로 장력을 감지하여 제어하는 것을 특징으로 하는 제조장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 2 항에 있어서, 상기 텐션 롤러의 장력 크기가 ±0.1%인 경우 상기 파우더 브레이크에 의한 장력 크기는 ±1%인 것을 특징으로 하는 제조장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저는 파이버 펄스 레이저(Fiber Pulse Laser)인 것을 특징으로 하는 제조장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저의 출력 용량은 100W 이상인 것을 특징으로 하는 제조장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저의 펄스 반복율은 800 내지 35000 kHz인 것을 특징으로 하는 제조장치.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저의 파장은 1050 내지 1080 nm인 것을 특징으로 하는 제조장치.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐너는 갈바노미터(galvanometer) 스캐너인 것을 특징으로 하는 제조장치.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 사행 보정부는 EPC 센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조장치.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 스플라이스부는 전극시트를 새로 연결시 호일 리더에 의해 호일을 감아 전극시트가 흘러 들어갈 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 제조장치.
17. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
18. 제 17 항에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.

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