KR101622437B1 - 원통형 이차전지의 프레스 장치 및 이를 이용한 이차전지의 제조방법 - Google Patents

원통형 이차전지의 프레스 장치 및 이를 이용한 이차전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원통형 이차전지의 와인딩 공정 효율을 높일 수 있는 프레스 장치에 관한 것으로, 특히 원통형 이차전지의 전극탭의 배치 부분에 전극탭의 두께로인해 발생하는 외경의 두께 및 곡률의 편차로 인해, 전극캔에 삽입하는 후공정에 불량이 발생하는 문제를 해소하기 위해, 젤리롤 구조로 권취후 전극탭의 오버랩 부위를 중심으로 3방향에서 가압하여 곡률편차 및 두께 편차를 보정할 수 있는 가압프레스의 구조를 제공할 수 있다.

Description

원통형 이차전지의 프레스 장치 및 이를 이용한 이차전지의 제조방법{Press device for jelly roll-secondary battery and Fabricating method of secondary battery using the same}
본 발명은 원통형 이차전지의 와인딩 공정 효율을 높일 수 있는 프레스 장치에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록
전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충ㆍ방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V~4.3V의 범위에서 통상 구현되며, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 이차 전지는 전극 조립체(젤리롤(jelly roll) 또는 권취품)와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차전지용 케이스와, 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 및 케이스를 마감하는 캡 조립체를 포함한다.
도 1은 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 원통형 이차전지의 전극조립체를 도시한 개념도이다.
도시된 것과 같이, 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 원통형 이차전지의 전극조립체는 양극집전체의 소정영역에 양극활물질층이 형성된 양극전극판(10), 음극집전체의 소정영역에 음극활물질층이 형성된 음극전극판(30), 상기 양극전극판(10) 및 음극전극판(30)상에 도포되어 상기 양극전극판(10)과 음극전극판(30)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세라믹 세퍼레이터 기능막(20,이하 분리막라 한다)이 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 그리고 전극조립체 상부로는 각 전극의 전극탭(15, 25)이 돌출되게 된다. 특히 이 경우 원통형 기둥 모양의 권심부재(1)를 중심으로 상기 음극, 양극, 분리막의 구성요소가 권취되는 공정을 수행하게 된다.
도 1에서 전극 탭이 형성되는 수직 선분 선상으로의 단면(X~X')을 도 2를 통해 살펴보면, 와인딩되는 양극전극판(10), 분리막(20), 음극전극판(30)의 권취구조에서 전극탭(15, 25)의 중첩부(Y)에서는 탭의 존재로 인해 권취되는 전극조립체의 이상적인 외경(A)에서 탭이 존재하는 영역에 대응되는 외경(B)이 변형(B')되어 곡률이 변형되게 되어 후공정 불량으로 이어지게 된다. 이러한 곡률의 변화는 권취공정에서 탭에 의한 전극재에 가해지는 스트레스가 증가하게 되어 크랙이 발생하게 되어 전극의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제로 이어지게 된다.
한국공개특허공보 제10-2011-0127469호
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 원통형 이차전지의 전극탭의 배치 부분에 전극탭의 두께로인해 발생하는 외경의 두께 및 곡률의 편차로 인해, 전극캔에 삽입하는 후공정에 불량이 발생하는 문제를 해소하기 위해, 젤리롤 구조로 권취후 전극탭의 오버랩 부위를 중심으로 3방향에서 가압하여 곡률편차 및 두께 편차를 보정할 수 있는 가압프레스의 구조를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에서는 양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체를 상기 전극조립체의 중심방향으로 가압하는 가압부재를 포함하되, 상기 가압부재는 적어도 2 이상 구비되는 원통형 이차전지의 프레스 장치를 제공하며, 특히 상기 가압부재의 구조를 상기 전극조립체의 외경의 곡률과 동일한 곡률을 구비한 내부면을 구비하며, 적어도 2 이상 구비되는 가압부재 중 어느 하나는 상기 전극조립체의 전극탭이 형성되는 영역을 가압하도록 배치되도록 한다.
특히, 3방향에서 가압하는 가압장치를 배치하여 가압의 효율성을 높일 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 원통형 이차전지의 전극탭의 배치 부분에 전극탭의 두께로인해 발생하는 외경의 두께 및 곡률의 편차로 인해, 전극캔에 삽입하는 후공정에 불량이 발생하는 문제를 해소하기 위해, 젤리롤 구조로 권취후 전극탭의 오버랩 부위를 중심으로 3방향에서 가압하여 곡률편차 및 두께 편차를 보정할 수 있는 가압프레스의 구조를 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 원통형 이차전지의 구조 및 공정 상의 문제를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 프레스 장치의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에서 상술한 본 발명에 따른 프레스 장치의 실제 이미지를 구현한 것이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 프레스 장치의 가압부재의 변형예를 예시한 단면 개념도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 3은 본 발명에 따른 프레스 장치의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도시된 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 프레시 장치(이하, '본 장치'라 한다.)는 양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체(A)를 상기 전극조립체의 중심방향으로 가압하는 가압부재(110, 120, 130)를 포함하되, 상기 가압부재는 적어도 2 이상 구비되는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 상기 가압부재의 개수를 3개로 하여 구현되는 프레스 장치를 일 실시예로 하여 설명하나 이에 실시예가 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 장치에서는 가압부재(110, 120, 130)를 전극조립체(A)의 3방향에서 균등한 힘으로 가압할 수 있도록 배치할 수 있으며, 이 경우 가압하는 방향은 권심부재(1)가 배치되는 전극조립체(A)의 내경의 진원 방향으로 가압을 구현할 수 있도록 할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 가압부재를 구비한 프레스 장치의 실제 구현 이미지를 도시한 것이다.
도시된 도면을 참조하면, 본 장치는 양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체(A)를 상기 전극조립체의 중심방향으로 가압하는 가압부재(110, 120, 130)가 구비된다.
이 경우 상기 가압부재(110, 120, 130)는 상기 전극조립체의 길이 이하의 신장을 구비하며, 내부에는 상기 전극조립체의 외경의 곡률과 동일한 방향성을 가지는 곡률을 구비하는 가압몸체(110, 120, 130)와 상기 가압몸체를 상기 전극조립체의 중심방향으로 이동시키며 가압력을 인가하는 구동수단(121, 131)을 구비하여 구성될 수 있다. 특히, 상기 가압몸체의 내경은 전극조립체의 외경 이하로 형성됨이 바람직하다.
특히, 이 경우 상기 가압부재는 상기 전극조립체의 전극탭이 형성되는 영역을 가압하도록 배치되는 메인가압부재(110)와 상기 제1가압부재에 의해 인가되는 가압력에 대응하여 전극조립체의 중심방향으로 균일한 가압력을 분배할 수 있도록 배치되는 적어도 1 이상의 보조가압부재(120, 130)로 구성될 수 있다.
Figure 112012083955579-pat00001
위 표 1에 도시된 것은 본 발명에 따른 가압부재를 3개를 배치하는 경우, 젤리롤 구조의 전극조립체의 외경과 진원도의 변화를 나타낸 것이다.(이 경우, 진원도는 젤리롤 형 전극조립체의 외경의 Max영역의 최대값에서 젤리롤 외경의 min 영역의 최소값을 뺀 것으로 정의한다. 도 4b참조)
기본적으로, 가압부재의 내경이 젤리롤의 외경 이하로 구현되는바, 젤리롤의 외경 및 진원도가 감소하게 됨을 확인할 수 있다. 가압면적은 전체 젤리롤 면적의 2/3, 시간은 1초 이상, 압력은 15kgf 이상을 가압하여 진원도 및 외경의 개선결과를 도출할 수 있게 된다.
요컨데, 본 발명에 따른 가압부재를 적용하는 공정의 의의는 권취 전 초기 전극두께 및 권취후 탭 위치 등에 영향을 받아 다양한 외경(곡률) 스펙트럼(대략 17.30~17.70)을 가진 젤리롤을 내경 17.30mm의 진원인 지그로 가압하여 스펙 오버인 젤리롤 또한 스펙인으로 만들어 주는 효과를 구현할 수 있도록 하는 데 있다.
도 4c는 외경이 측정된 젤리롤(전극조립체)을 본 발명에 따른 가압부재(그래프상에서는 '지그'로 표기)에 수동으로 투입하여 프레스 한 후, 외경과 진원도 변화를 확인한 결과를 도시한 그래프이다. 가압부재의 종류에 따라 3개의 가압몸체를 적용하여 실험하였으며, 젤리롤의 외경은 17.66mm 4개, 17.61mm 4개, 17.585mm 7개, 17.56mm 2개의 샘플을 적용하였으며, 가압력은 0.45MPa를 적용하였다.
그 결과, 17.585~17.61 범위의 가압 프레스 공정 적용 후, 타겟의 외경 실현율은 100%에 달하며, 주름발생도 거의 발견되지 않는 효과가 구현됨을 확인할 수 있었다.
도 4d는 프레스 후 진원도의 개선 여부를 도시한 그래프로, 진원도의 변화가 각 범위에서 현저하게 개선된 것을 확인할 수 있다.(검정색:가압전, 붉은색:가압후 진원도이며, 도 4d의 그래프에서 수직 축은 진원도(mm)를 나타내며, 수평 축은 젤리롤의 외경을 나타낸다.)
도 4a에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 가압부재(110, 120, 130)의 길이는 전극조립체(A)의 길이 이하로 형성될 수 있으며, 균일한 가압력을 전극조립체(A)에 인가할 수 있도록 각각의 가압부재는 120°의 간격으로 배치될 수 있다.
도 5 및 도 6은 이러한 가압부재가 전극조립체의 진원을 중심으로 120°의 간격으로 배치되는 구조를 예시한 것이다.
이러한 배치 구조는 3방향의 가압부재가 전극조립체의 진원을 향하여 균일한 가압력을 인가하여 원통형 이차전지의 전극조립체의 균일한 곡률을 구현하도록 외경 및 진원도를 제어할 수 있게 하기 위함이다.
도 7은 도 6의 구조와는 달리 가압부재가 전극조립체의 진원을 중심으로 90°의 간격으로 배치되는 구조를 예시한 것이며, 도 8은 가압부재가 전극조립체의 진원을 중심으로 180°의 간격으로 배치되는 구조를 예시한 것이다.
이상의 배치 구조는 가압부재가 전극탭이 중첩되는 영역을 가압하는 메인가압부재 1개를 중심으로 균일한 배치 간격을 이룰 수 있도록 1개, 3개, 4개, 5개, 7개, 11개의 보조 가압부재를 더 배치하여 구현할 수도 있다.
이 경우, 메인가압부재 1개 및 보조가압부재 3개로 총 4개의 가압부재를 구비하는 경우에는 가압부재가 전극조립체의 진원을 중심으로 90°의 간격으로 배치되며, 메인가압부재 1개 및 보조가압부재 4개로 총 5개의 가압부재를 구비하는 경우에는 가압부재가 전극조립체의 진원을 중심으로 60°의 간격으로 배치되며, 메인가압부재 1개 및 보조가압부재 7개로 총 8개의 가압부재를 구비하는 경우에는 가압부재가 전극조립체의 진원을 중심으로 45°의 간격으로 배치될 수 있게 된다. 물론, 메인가압부재 1개 및 보조가압부재 11개로 총 12개의 가압부재를 구비하는 경우에는 가압부재가 전극조립체의 진원을 중심으로 30°의 간격으로 배치될 수도 있다.
이상의 가압부재를 구비하는 본 발명에 따른 프레스 장치는 원통형 이차전지의 전극탭의 배치 부분에 전극탭의 두께로 인해 발생하는 외경의 두께 및 곡률의 편차로 인해, 전극캔에 삽입하는 후공정에 불량이 발생하는 문제를 해소할 수 있으며, 젤리롤 구조로 권취 후 전극탭의 중첩 부위를 중심으로 3방향에서 가압하여 곡률편차 및 두께 편차를 보정할 수 있게 되는 장점이 있다.
본 발명에 따른 프레스 장치로 가압된 전극조립체는 원통형 이차전지로 제조할 수 있게 된다.
이러한 제조공정을 통해 제조된 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등에 적용될 수 있다.
특히, 이러한 전극조립체를 포함하는 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.
다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.
중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: (메인) 가압부재
120, 130: (보조) 가압부재
A: 전극조립체

Claims (12)

  1. 양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체를
    상기 전극조립체의 중심방향으로 가압하는 가압부재를 포함하되,
    상기 가압부재는
    상기 전극조립체의 외경보다 작은 내경을 구비하며,
    적어도 2 이상 구비되는 가압부재 중 어느 하나는 상기 전극조립체의 전극탭이 형성되는 영역을 가압하도록 배치되는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압부재는,
    상기 전극조립체의 길이 이하의 신장을 구비하며, 내부에는 상기 전극조립체의 외경보다 작은 내경을 구비하는 가압몸체;
    상기 가압몸체를 상기 전극조립체의 중심방향으로 이동시키며 가압력을 인가하는 구동수단;
    을 포함하여 구성되는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가압부재는,
    상기 전극조립체의 전극탭이 형성되는 영역을 가압하도록 배치되는 메인가압부재;
    상기 메인가압부재에 의해 인가되는 가압력에 대응하여 전극조립체의 중심방향으로 균일한 가압력을 분배할 수 있도록 배치되는 적어도 1 이상의 보조가압부재를 더 포함하는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조가압부재는,
    상기 메인가압부재의 내부면의 중심과 120도 간격으로 배치되는 2개의 가압부재를 더 포함하는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조가압부재는,
    상기 메인가압부재와 대응하는 위치에 형성되는 1개의 가압부재를 더 포함하는 구조의 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조가압부재는,
    상기 메인가압부재의 내부면의 중심과 90도 간격으로 배치되는 3개의 가압부재를 더 포함하는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조가압부재는,
    상기 메인가압부재의 내부면의 중심과 72도 간격으로 배치되는 4개의 가압부재를 더 포함하는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조가압부재는,
    상기 메인가압부재의 내부면의 중심과 60도 간격으로 배치되는 5개의 가압부재를 더 포함하는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조가압부재는,
    상기 메인가압부재의 내부면의 중심과 45도 간격으로 배치되는 7개의 가압부재를 더 포함하는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조가압부재는,
    상기 메인가압부재의 내부면의 중심과 30도 간격으로 배치되는 11개의 가압부재를 더 포함하는 원통형 이차전지의 프레스 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 원통형 이차전지의 프레스 장치를 이용하여,
    양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체를 상기 전극조립체의 중심방향으로 가압하되,
    다수의 가압부재 중 어느 하나는 상기 전극조립체의 전극탭이 형성되는 영역을 가압하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 제조방법.
  12. 삭제
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