KR101562570B1 - 젤리-롤의 제조를 위한 이중 구조의 권심 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막의 구조를 포함하는 긴 시트형의 적층체를 장착하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하는 권취 공정에 사용되는 권심으로서, 제 1 젤리-롤을 권취하며, 상기 권심을 회전시키는 권취기에 장착되는 장착부가 형성되어 있는 제 1 권취부, 및 제 2 젤리-롤을 권취하며, 상기 제 1 권취부와 동시에 회전하도록 회전축 상에서 제 1 권취부와 기계적으로 체결되는 제 2 권취부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심을 제공한다.

Description

젤리-롤의 제조를 위한 이중 구조의 권심 {Mandrel Having Double Structure for Preparation of Jelly-Roll}
본 발명은 젤리-롤의 제조를 위한 이중 구조의 권심에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막의 구조를 포함하는 긴 시트형의 적층체를 장착하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하는 권취 공정에 사용되는 권심으로서, 제 1 젤리-롤을 권취하며, 상기 권심을 회전시키는 권취기에 장착되는 장착부가 형성되어 있는 제 1 권취부, 및 제 2 젤리-롤을 권취하며, 상기 제 1 권취부와 동시에 회전하도록 회전축 상에서 제 1 권취부와 기계적으로 체결되는 제 2 권취부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심에 관한 것이다.
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/분리막/음극의 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 스택형, 및 스택형의 단위셀들을 긴 길이의 분리필름으로 권취한 스택/폴딩형으로 대략 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 가장 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이러한 젤리-롤형 전극조립체의 제조과정에는 양극/분리막/음극으로 이루어진 긴 시트형 적층체 단부에 권심을 끼워 원통형으로 권취한 후 권심을 제거하는 공정이 포함되어 있다. 이 때 사용되는 권심은 전체적으로 봉 형의 부재로서, 단면상으로 대략 다각형, 원형, 또는 타원형의 구조를 이루고 있다.
그러나, 권심을 회전시켜 젤리-롤을 권취하는 과정은 높은 정밀도를 필요로 하며, 정밀도가 기준 이하일 때에는 오작동 및 불량이 발생하는 문제점이 있었다. 따라서, 권취 위치 제어 및 권심의 회전 속도를 개선 또는 변경하여 치수 안정성을 향상시키고 권취 구조에서 발생하는 응력을 해소하는 기술에 대한 개발이 이루어지고 있다.
이러한 개발과 더불어, 권취 과정의 설비에 대한 비용이 높아지거나, 또는 복잡한 공정에 의해 생산성이 감소하는 문제점이 발생하고 있다. 특히, 종래의 제조과정은 젤리-롤의 제조과정이 복잡할 뿐만 아니라, 권심 하나당 하나의 젤리-롤을 제조하는 구조이므로 생산성이 낮은 단점이 있었다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 구조 변경에 의해 젤리-롤형 전극조립체의 생산성을 높일 수 있는 젤리-롤 제조용 권심을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 젤리-롤 제조용 권심을 사용하여 젤리-롤 전극조립체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 젤리-롤 제조용 권심은,
양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막의 구조를 포함하는 긴 시트형의 적층체를 장착하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하는 권취 공정에 사용되는 권심으로서,
제 1 젤리-롤을 권취하며, 상기 권심을 회전시키는 권취기에 장착되는 장착부가 형성되어 있는 제 1 권취부; 및
제 2 젤리-롤을 권취하며, 상기 제 1 권취부와 동시에 회전하도록 회전축 상에서 제 1 권취부와 기계적으로 체결되는 제 2 권취부;
를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
앞서 정의한 바와 같이, 본 발명에 따른 젤리-롤 제조용 권심은, 제 1 권심과 제 2 권심이 상호 체결되는 구조로 이루어져 있고, 상기 제 1 권심 및 제 2 권심에 각각 젤리-롤의 권취가 가능한 구조로 이루어져 있다. 즉, 상기 제 1 권심과 제 2 권심이 결합되어 동시에 회전하도록 함으로써, 제 1 권심 및 제 2 권심에서 각각 젤리-롤을 권취하는 구조를 형성하고 있다.
따라서, 본 발명은 제 1 권심 및 제 2 권심이 체결된 신규한 구조의 젤리-롤 제조용 권심을 제공하며, 젤리-롤 권취 공정에서 상기 권심을 사용함으로써 젤리-롤의 생산량을 크게 증가시킬 수 있는 효과를 제공한다.
상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부는 각각 젤리-롤을 권취할 수 있는 충분한 길이로 형성될 수 있으며, 적어도 상기 시트형 적층체의 폭 보다 큰 형태로 형성될 수 있다. 이러한 제 1 권취부 및 제 2 권취부는 회전축을 기준으로 수직 단면이 서로 동일한 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 젤리-롤형 전극조립체는 일반적으로 원 기둥 또는 타원 기둥 형태로 제조되어 각각 원통형 캔 또는 각형 캔에 수납된다. 따라서, 상기와 같은 형태의 젤리-롤형 전극조립체를 제조하기 위하여, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부는 회전축을 기준으로 수직 단면이 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다. 이 때, 젤리-롤형 전극조립체를 원 기둥 형태로 제조한 후 일 방향으로 가압하여 타원 기둥 형태로 형성시킬 수도 있다.
상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부는 젤리-롤의 권취 과정에서 동시에 회전되도록 결합되어 있는 구조라면 특별히 한정되지 않고 다양한 구조로 결합될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부에는 각각 체결홈이 형성되어 있고, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부의 체결홈을 관통하는 체결부재에 의해 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부가 결합되는 구조로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부에는 각각 둘 이상의 체결홈들이 형성되어 있고, 상기 체결홈들에 대응하는 둘 이상의 체결부재들에 의해 결합되는 구조일 수 있다.
상기 체결홈들은 상기 체결부재들이 삽입되어 고정될 수 있는 구조로 형성될 수 있으며, 각각의 체결부재들은 제 1 권취부 및 제 2 권취부에 형성되어 있는 체결홈을 관통하는 구조로 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부 중 적어도 하나에는 일측 단부로부터 대향측 단부로 관통된 구조의 체결홈이 형성될 수 있다. 즉, 적어도 하나의 권취부에 형성된 체결홈은 관통 구조로 형성되어 있어서, 권취부들이 결합되는 부위의 대향측으로부터 상기 체결부재가 삽입되어 상기 권취부들이 결합되고, 상기 체결홈들에 삽입된 체결부재를 인취하여 상기 권취부들을 분리하는 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부가 안정적으로 결합되어 회전력이 전달될 수 있는 구조라면 상기 체결홈들의 개수는 특별히 한정되지 않고 다양한 개수로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한 상기 젤리-롤 제조용 권심을 사용하여 젤리-롤 전극조립체를 제조하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 젤리-롤 전극조립체는,
(a) 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막의 구조를 각각 가진, 제 1 시트형 적층체의 단부와 제 2 시트형 적층체의 단부를, 젤리-롤 제조용 권심의 제 1 권취부 및 제 2 권취부에 각각 고정하는 단계;
(b) 권취기를 사용하여 젤리-롤 제조용 권심을 회전시켜 제 1 시트형 적층체와 제 2 시트형 적층체를 원 또는 타원 형상으로 권취하는 단계; 및
(c) 젤리-롤 제조용 권심의 제 1 권취부 및 제 2 권취부를 서로 분리한 후, 권취된 제 1 시트형 적층체와 제 2 시트형 적층체로부터 제 1 권취부 및 제 2 권취부를 제거하여 제 1 젤리-롤 및 제 2 젤리-롤을 취출하는 단계;
를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
이러한 제조방법은, 기존의 권취기에 상기 젤리-롤 제조용 권심을 장착하여 회전시킴으로써 2개의 젤리-롤을 동시에 제조할 수 있으므로 생산성을 향상시킨다.
본 발명은 또한, 상기 젤리-롤 제조용 권심을 사용하여 제조된 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다. 더 나아가, 상기 젤리-롤 제조용 권심을 사용하여 제조된 젤리-롤형 전극조립체를 전지케이스에 내장한 구조의 전지셀을 제조할 수 있으며, 따라서 본 발명은 상기 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 전지셀을 제공한다.
이러한 전지셀은, 예를 들어, 각형 캔 또는 원통형 캔 등의 전지케이스에 상기 젤리-롤형 전극조립체가 내장된 구조의 각형 전지셀 또는 원통형 전지셀과, 라미네이트 수지 등으로 이루어진 파우치형 전지케이스에 상기 젤리-롤형 전극조립체가 내장된 구조의 파우치형 전지셀을 들 수 있다.
상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 대표적인 예로는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 젤리-롤 제조용 권심은, 제 1 권심과 제 2 권심이 결합되어 동시에 회전하도록 함으로써, 제 1 권심 및 제 2 권심에서 각각 젤리-롤을 권취하는 구조를 형성하고 있어서, 젤리-롤 권취 공정에서 젤리-롤의 생산량을 크게 증가시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤 제조용 권심에 시트형 적층체가 권취된 구조의 모식도이다;
도 2 내지 도 4는 도 1의 젤리-롤 제조용 권심을 분리하여 젤리-롤을 취출하는 과정에 관한 모식도들이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젤리-롤 제조용 권심에 시트형 적층체가 권취된 구조의 모식도이다;
도 6은 도 5의 젤리-롤 제조용 권심을 분해한 구조의 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 젤리-롤 제조용 권심에 시트형 적층체가 권취된 구조의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 젤리-롤 제조용 권심(100)은, 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)를 포함하는 구조로 구성되어 있으며, 제 1 권심(110)의 단부에는 권취기(도시하지 않음)에 장착되는 장착부(112)가 형성되어 있다. 이러한 젤리-롤 제조용 권심(100)은 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막의 구조를 포함하는 긴 시트형의 적층체(210, 220)의 단부를 고정한 후 제 1 권심(110)의 장착부(112)를 권취기에 고정하여 회전시켜 시트형의 적층체(210, 220)를 권취함으로써 젤리-롤형 전극조립체를 제조하는 공정에 사용된다.
제 1 권취부(110)와 제 2 권취부(120)는 권취 공정에서 동시에 회전하도록 회전축(A) 상에서 결합되어 있으며, 결합 및 분리가 가능하도록 상호 기계적으로 체결되어 있다.
제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(110)는 각각 젤리-롤을 권취할 수 있는 충분한 길이, 즉 적어도 시트형 적층체(210, 220)의 폭(W1) 보다 큰 형태의 길이(W2)로 형성되어 있고, 이러한 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)는 회전축(A)을 기준으로 수직 단면이 서로 동일한 타원 형상으로 이루어져 있다.
제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)는 각각 제 1 젤리-롤 및 제 2 젤리롤을 권취하며, 따라서 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)가 결합되어 동시에 회전함으로써, 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)에서 각각 제 1 젤리-롤 및 제 2 젤리롤이 권취되고, 이러한 구조는 종래의 구조와 비교하여 젤리-롤의 생산성을 2배 향상시키는 효과가 있다.
도 2 내지 도 4에는 도 1의 젤리-롤 제조용 권심을 분리하여 젤리-롤을 취출하는 과정에 관한 모식도들이 도시되어 있다.
도 2 내지 도 4를 도 1과 함께 참조하면, 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(110)의 단부에는 각각 체결홈들(114, 124)이 형성되어 있고, 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)의 체결홈들(114, 124)을 관통하는 체결부재들(130)에 의해 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)가 결합 및 분리되는 구조로 이루어져 있다.
체결홈들(114, 124)은 체결부재들(130)이 삽입되어 고정될 수 있는 구조로 형성되어 있으며, 각각의 체결부재들(130)은 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(110)에 형성되어 있는 체결홈들(114, 124)을 관통하는 구조로 결합된다.
제 1 권취부(110)의 체결홈들(114, 124)은 권취부들(110, 120)이 결합되는 부위로부터 대향측까지 연통된 관통 구조로 형성되어 있어서, 체결부재들(130)을 외측으로부터 체결홈들(114, 124)에 삽입하여 권취부들(110, 120)을 결합하거나, 또는 체결홈들(114, 124)에 삽입된 체결부재들(130)을 인취하여 권취부들(110, 120)을 분리하는 구조로 형성되어 있다.
이러한 젤리-롤 제조용 권심(100)을 사용하여 젤리-롤 전극조립체를 제조하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막의 구조를 각각 가진, 제 1 시트형 적층체(210)의 단부와 제 2 시트형 적층체(220)의 단부를, 젤리-롤 제조용 권심(100)의 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)에 각각 고정한다.
그런 다음, 권취기를 사용하여 젤리-롤 제조용 권심(100)을 회전시켜 제 1 시트형 적층체(210)와 제 2 시트형 적층체(220)를 권취한다.
그리고, 젤리-롤 제조용 권심(100)의 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)의 결합 부위를 분리한 후, 제 1 권취부(110) 및 제 2 권취부(120)로부터 각각 제 1 시트형 적층체(210)와 제 2 시트형 적층체(220)를 인취하여 제 1 젤리-롤(212) 및 제 2 젤리-롤(222)을 제조한다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젤리-롤 제조용 권심에 시트형 적층체가 권취된 구조의 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 젤리-롤 제조용 권심을 분리한 구조의 모식도가 도시되어 있다.
도 5 및 도 6의 젤리-롤 제조용 권심(300)은 회전축(A’)을 기준으로 수직 단면이 원형인 점을 제외하고는 도 1의 젤리-롤 제조용 권심(100)의 구조 및 원리가 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제 1 권취부(310) 및 제 2 권취부(320)는 각각 수직 단면이 원형으로 형성되어 있어서, 이들을 회전시켜 제 1 시트형 적층체(410)와 제 2 시트형 적층체(420)를 권취하였을 때, 권취된 구조가 대략 원통형으로 형성된다. 이러한 구조에서 제 1 시트형 적층체(410)와 제 2 시트형 적층체(420)를 각각 제 1 권취부(310) 및 제 2 권취부(320)로부터 인취하여 제조되는 젤리-롤들 또한 원통형의 구조로 형성된다.
원통형 구조의 젤리-롤은 원통형 캔에 삽입되어 전지셀로 조립되며, 경우에 따라서 원통형 구조의 젤리-롤을 압박하여 단면이 타원형인 구조를 형성시킨 후 각형 캔에 삽입되어 전지셀로 조립될 수 도 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막의 구조를 포함하는 긴 시트형의 적층체를 장착하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하는 권취 공정에 사용되는 권심으로서,
    제 1 젤리-롤을 권취하며, 상기 권심을 회전시키는 권취기에 장착되는 장착부가 형성되어 있는 제 1 권취부; 및
    제 2 젤리-롤을 권취하며, 상기 제 1 권취부와 동시에 회전하도록 회전축 상에서 제 1 권취부와 기계적으로 체결되는 제 2 권취부;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부의 길이는 적어도 상기 시트형 적층체의 폭 보다 큰 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부는 회전축을 기준으로 수직 단면이 서로 동일한 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부는 회전축을 기준으로 수직 단면이 원형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부는 회전축을 기준으로 수직 단면이 타원형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부에는 각각 체결홈이 형성되어 있고, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부의 체결홈을 관통하는 체결부재에 의해 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부가 결합되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부 중 적어도 하나에는 일측 단부로부터 대향측 단부로 관통된 구조의 체결홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 권취부 및 제 2 권취부에는 각각 둘 이상의 체결홈들이 형성되어 있고, 상기 체결홈들에 대응하는 둘 이상의 체결부재들에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 제조용 권심.
  9. 제 1 항에 따른 젤리-롤 제조용 권심을 사용하여 젤리-롤 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막의 구조를 각각 가진, 제 1 시트형 적층체의 단부와 제 2 시트형 적층체의 단부를, 젤리-롤 제조용 권심의 제 1 권취부 및 제 2 권취부에 각각 고정하는 단계;
    (b) 권취기를 사용하여 젤리-롤 제조용 권심을 회전시켜 제 1 시트형 적층체와 제 2 시트형 적층체를 원 또는 타원 형상으로 권취하는 단계; 및
    (c)젤리-롤 제조용 권심의 제 1 권취부 및 제 2 권취부를 서로 분리한 후, 권취된 제 1 시트형 적층체와 제 2 시트형 적층체로부터 제 1 권취부 및 제 2 권취부를 제거하여 제 1 젤리-롤 및 제 2 젤리-롤을 취출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 전극조립체 제조 방법.
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