KR101686615B1 - 전지의 음극 무지부에 주름을 방지하기 위한 탑-캡 압입장치 - Google Patents
전지의 음극 무지부에 주름을 방지하기 위한 탑-캡 압입장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전지의 음극 무지부에 주름을 방지하기 위한 장치로서,
전극조립체가 내장되어 있는 전지 캔의 개방 상단에 탑-캡이 압입되도록 탑-캡의 이동 방향 및 전지 캔의 변위 방향을 유도하는 탑-캡 인서트 가이드(top-cap insert guide), 상기 탑-캡이 압입되는 방향을 중심으로 전지 캔의 측면을 가압하는 하나 이상의 가압 지그(pressing jig), 상기 가압 지그에 의해 전지 캔에 압축력을 전달하는 가압부재(pressing member), 및 상기 전지 캔의 상부에서 상하 왕복 운동을 하고, 하향 운동시 탑-캡을 가압하여 전지 캔의 개방 상단에 압입하는 프레스(press), 상기 프레스의 작동을 제어하는 제어부(controlling part)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치를 제공한다.
전극조립체가 내장되어 있는 전지 캔의 개방 상단에 탑-캡이 압입되도록 탑-캡의 이동 방향 및 전지 캔의 변위 방향을 유도하는 탑-캡 인서트 가이드(top-cap insert guide), 상기 탑-캡이 압입되는 방향을 중심으로 전지 캔의 측면을 가압하는 하나 이상의 가압 지그(pressing jig), 상기 가압 지그에 의해 전지 캔에 압축력을 전달하는 가압부재(pressing member), 및 상기 전지 캔의 상부에서 상하 왕복 운동을 하고, 하향 운동시 탑-캡을 가압하여 전지 캔의 개방 상단에 압입하는 프레스(press), 상기 프레스의 작동을 제어하는 제어부(controlling part)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치를 제공한다.
Description
본 발명은 전지의 음극 무지부에 주름을 방지하기 위한 탑-캡 압입장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지의 음극 무지부에 주름을 방지하기 위해 상기 탑-캡이 압입되는 방향을 중심으로 전지 캔의 측면을 가압하는 하나 이상의 가압 지그(pressing jig)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치에 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 스택형으로 분류된다.
그 중, 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 종래의 각형 전지가 도 1에 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤형 전극조립체(10)가 각형 금속 케이스(20)에 내장되어 있고, 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(10)의 음극은 활물질이 도포되어 있지 않은 음극 무지부(도시하지 않음)에 음극 탭(12)이 결합되어 있고, 이러한 음극 탭(12)은 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 절연부재(34)에 의해 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(10)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(14)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
한편, 상기와 같은 구조의 각형 이차전지의 제조 공정에서는 전지 캔의 내부에 전극조립체를 삽입한 후, 전지 캡을 밀봉하기 위해 탑 캡 압입 장치의 프레스를 이용하여 탑 캡을 전지 캔의 개방 상단에 압입하는 공정을 수행하게 된다.
하지만, 본 발명의 도 2에서와 같이, 종래의 탑 캡 압입장치는 프레스가 탑 캡을 압입하는 과정에서 탑 캡과 연결되어 있는 음극 탭에 하향력이 전달되게 되고, 결과적으로 음극 탭과 음극 무지부의 결합부에 마찰력이 발생하여 음극 무지부에 주름이 발생하게 된다. 이러한 음극 무지부의 주름으로 인해, 음극 활물질의 탈리가 초래되고, 그로 인해, 전지의 안전성에 문제를 발생시킬 뿐만 아니라, 전지의 두께 및 내부 저항의 증가를 야기하는 등 전지의 품질이 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 소비자에게 고품질의 각형 전지를 제공하기 위해, 각형 전지의 탑 캡 압입 공정 중, 필연적으로 발생되는 하향력으로 인한 음극 무지부의 주름을 방지할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 탑-캡을 전지 캔에 압입하는 공정에서 음극 무지부에 주름이 발생되는 현상을 완화시킬 수 있는 탑-캡 압입장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 탑-캡 압입장치를 이용하여 제조되며 안전성 및 품질이 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 전지의 음극 무지부에 주름을 방지하기 위한 탑-캡 압입장치는,
전극조립체가 내장되어 있는 전지 캔의 개방 상단에 탑-캡이 압입되도록 탑-캡의 이동 방향 및 전지 캔의 변위 방향을 유도하는 탑-캡 인서트 가이드(top-cap insert guide);
상기 탑-캡이 압입되는 방향을 중심으로 전지 캔의 측면을 가압하는 하나 이상의 가압 지그(pressing jig);
상기 가압 지그에 의해 전지 캔에 압축력을 전달하는 가압부재(pressing member);
상기 전지 캔의 상부에서 상하 왕복 운동을 하고, 하향 운동시 탑-캡을 가압하여 전지 캔의 개방 상단에 압입하는 프레스(press); 및
상기 프레스의 작동을 제어하는 제어부(controlling part);
를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 전지용 탑-캡 압입장치는, 상기 탑-캡을 압입하기 위해 발생되는 하향력을 상기 가압 지그가 전지 캔의 측면을 가압함으로써, 발생된 마찰력으로 상쇄시킬 수 있는 바, 상기 음극 무지부의 주름 생성을 현저히 완화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 탑-캡 압입장치는 효과적으로 음극 무지부에 주름을 방지할 수 있는 바, 음극 무지부의 주름으로 인해 발생될 수 있는 활물질 코팅의 탈리와 전지의 두께 및 내부 저항의 증가를 억제할 수 있어 우수한 품질의 전지를 제공할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지 캔은 다양한 구조와 소재로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄 합금 등의 금속으로 이루어진 각형 캔일 수 있다.
상기 가압 지그의 개수는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 전지 캔의 양 측면을 가압할 수 있도록 제 1 가압 지그 및 제 2 가압 지그를 포함할 수 있다. 상세하게는, 가압되는 방향의 힘들이 모두 상쇄될 수 있도록 가압 지그의 수와 위치를 지정할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가압부재는 압축 스프링을 포함할 수 있고, 상기 압축 스프링의 탄성력에 의해 전지 캔에 압축력이 전달될 수 있다. 구체적으로, 상기 압축 스프링은 전지 캔의 대향 방향으로 상기 가압 지그의 후미에 위치하여 압축 스프링의 탄성력에 의해 가압 지그를 전진 캔이 위치하는 방향으로 밀어 내는 힘을 전달하게 된다.
하나의 구체적인 예에서, 탑-캡 압입 공정에 발생된 하향력을 상쇄시킬 수 있도록, 상기 가압부재는 전지 캔에 전달되는 압축력을 조절하기 위한 힘조절 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 힘조절 부재는 압축 스프링의 압착 변위를 조절하여 압축 스프링의 탄성력을 조절할 수 있다. 상세하게는, 상기 힘조절 부재가 압축 스프링의 탄성력을 조절하는 나사를 포함할 수 있으며, 압축 스프링을 가압 또는 감압하기 위해 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 힘조절 부재는 프레스가 탑-캡을 가압할 때 발생하는 하향력(P)보다 가압 지그가 전지 캔을 가압하여 발생시킨 마찰력(K)을 크거나 또는 그와 같도록 조절하여 상기 하향력(P)을 상쇄시킬 수 있다. 상기 마찰력(K)이 하향력(P)보다 작을 경우, 본 발명에서 의도하는 음극 무지부와 음극 탭간의 마찰력을 효과적으로 줄일 수 없어 음극 무지부의 주름을 방지할 수 없다.
상기 가압부재가 가압 지그에 압축력을 전달하기 위해서는 압축 스프링에서 발생된 압축력의 반작용의 힘을 지지할 수 있는 지지대가 필요한 바, 본 발명에 따른 가압부재는 전지 캔과 가압 지그가 대향 방향으로 가압 지그와 탑-캡 인서트 가이드 사이를 연결하고 있을 수 있고, 이러한 연결 구조로 인해 상기 탑-캡 인서트 가이드가 상기 가압부재의 지지대 역할을 수행할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 프레스는 상하 왕복 운동을 위한 구동부를 추가로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 구동부는, 예를 들어, 프레스가 상하 왕복 운동을 하기 위해 실린더와 회전 모터를 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제어부는 상기 전지 캔의 개방 상단에 탑-캡을 압입할 수 있도록, 프레스가 하향 운동에 의해 탑-캡을 가압한 후 상향 운동에 의해 원위치로 복귀하도록 작동 제어할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지용 탑-캡 압입장치를 사용하여 전지를 제조하는 방법을 제공한다. 구체적으로,
(a) 전지 캔의 내부에 전극조립체를 장착하는 단계;
(b) 상기 탑-캡 인서트 가이드를 전지 캔에 밀착시키는 단계;
(c) 상기 전지 캔의 측면을 가압 지그들로 가압하는 단계;
(d) 상기 프레스가 하향 이동하여 탑-캡을 전지 캔의 개방 상단에 압입하는 단계;
(e) 상기 압입된 탑-캡으로 전지 캔을 밀봉하는 단계; 및
(f) 전해액을 주입하는 단계;
를 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 탑-캡 압입장치를 이용하여 상기와 같은 제조 방법을 통해 전지를 제조할 경우, 전지의 음극 무지부에 주름을 방지할 수 있는 바, 음극 무지부의 주름으로 인한 음극 전극 활물질 코팅의 탈리와 전지의 두께 및 내부 저항의 증가 등의 전지의 품질에 악영향을 미치던 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전지용 탑-캡 압입장치를 사용하여 제조되는 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 각형 리튬 이차전지일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 이차전지는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개제된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형 전극조립체가 전해액과 함께 전지 캔의 내부에 밀봉된 형태일 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 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 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM’yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M’ = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 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 20 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.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 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 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로서 둘 이상 포함하는 전지팩을 제공할 수 있고, 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는, 예를 들어, 모바일 기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치일 수 있다.
그러나, 단위전지의 개수를 가변적으로 조절하여 디바이스가 소망하는 출력과 용량을 제공하기 위한 전지팩을 용이하게 제조할 수 있으므로 휴대용 전자 디바이스뿐만 아니라, 가변적인 전지 용량을 필요로 하는 다양한 디바이스에 적용할 수 있음은 물론이고, 이는 특별히 한정되지 않는다.
상기 전지팩의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지용 탑-캡 압입장치는 탑-캡을 압입하는 공정 중 발생되는 전극조립체의 음극 무지부의 주름을 방지할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 전지용 탑-캡 압압장치는 음극 무지부의 주름이 현저히 완화되어 전지의 안정성 및 품질이 향상된 각형 전지의 제공이 가능하다.
도 1은 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 종래의 각형 전지의 모식도이다;
도 2는 종래의 탑 캡의 압입 공정 중 발생된 음극 무지부의 주름을 나타낸 사진이다;
도 3은 종래의 탑 캡의 압입장치를 이용할 때, 음극 무지부에 주름이 생성되는 메커니즘을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치의 음극 무지부에 주름을 방지하는 메커니즘을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치의 가압 지그 및 가압부재를 나타낸 모식적인 수직 단면도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치를 나타낸 사진이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치와 종래의 탑-캡 압입장치의 비교 실험한 사진이다.
도 2는 종래의 탑 캡의 압입 공정 중 발생된 음극 무지부의 주름을 나타낸 사진이다;
도 3은 종래의 탑 캡의 압입장치를 이용할 때, 음극 무지부에 주름이 생성되는 메커니즘을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치의 음극 무지부에 주름을 방지하는 메커니즘을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치의 구조를 나타낸 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치의 가압 지그 및 가압부재를 나타낸 모식적인 수직 단면도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치를 나타낸 사진이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치와 종래의 탑-캡 압입장치의 비교 실험한 사진이다.
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 3은 종래의 탑 캡의 압입장치를 이용할 때, 음극 무지부에 주름이 생성되는 메커니즘을 설명하기 위한 모식적인 단면도가 도시되어 있고, 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치의 음극 무지부에 주름을 방지하는 메커니즘을 설명하기 위한 모식적인 단면도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 탑-캡(15)과 음극 무지부(60)에 부착된 음극 탭(12)은 프레스(도시되지 않음)가 가압하는 힘(S)을 분산시킬 수 있도록 다수의 굴곡된 형태의 구조(1 , 2)가 형성되어 있다. 이러한 전지를 종래의 탑-캡 압입장치를 이용하여 탑-캡(15)을 전지 캔 상단에 압입하게 되면, 하기 식 1에 나타낸 것과 같이 X축의 힘은 모두 상쇄되나, Y축의 힘은 하기 식 2와 같이 복합적인 힘의 요소에 의해, │-d│ 크기의 하향력(P)이 음극 탭(12)을 통해 음극 무지부(60)에 전달되는 것을 알 수 있다.
FX= FX1 + FX2 + FX3 = 0 + z - z = 0(1)
FX= FX1 + FX2 + FX3 = -a + b + c = -d(2)
하지만, 도 4의 본 발명에 따른 전지용 탑-캡 압입장치는, 탑-캡(115)을 전지 캔의 개구 상단에 압입하는 공정에서, 전지 캔의 측면을 가압하는 한 쌍의 가압 지그들(130, 131)에 의해 하향력(P)과 반대되는 방향으로 마찰력(K)이 발생하게 되어, 음극 무지부(160)에 전달되는 하향력(P)을 상쇄시키게 된다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치(100)의 구조를 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치(100)의 가압 지그(131) 및 가압부재(141)를 나타낸 모식적인 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 탑-캡 압입장치(100)는 탑-캡 인서트 가이드(150), 한 쌍의 가압 지그들(130, 131), 한 쌍의 가압부재들(140, 141), 각형 캔(110)의 상단에 위치하고 있는 프레스(170), 및 제어부(도시하지 않음)를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
탑-캡 인서트 가이드(150)는, 프레스(160)가 가압하는 힘(S)에 의한 탑-캡(115)의 이동 방향 및 각형 캔(110)의 변위 방향을 유도할 수 있도록, 각형 캔(110)의 양측에 밀착되어 있다.
한 쌍의 가압 지그들(130, 131)은 각형 캔(110) 양 측면을 서로 밀착하여 가압하고, 이러한 가압 지그들(130, 131)에 압축력을 전달하는 가압부재들(140, 141)은 압축 스프링(143)을 포함하고 있다. 또한, 가압부재들(140, 141)은 각형 캔(110)에 전달되는 압축력을 조절하기 위해 힘조절 부재들(145, 146)을 포함하고 있다.
도 6에서와 같이, 본 발명에 따른 가압부재(140)는 나사구조(147)가 형성되어 있는 힘조절 부재(145)를 포함하고 있다. 이러한 힘조절 부재(145)는 나사구조(147)에 의해 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하여 압축 스프링(143)의 압착 변위를 조절할 수 있고, 효과적으로 하향력(P)을 상쇄시키기 위해 하향력(P)보다 마찰력(K)을 크거나 또는 그와 같도록 조절하게 된다.
각각의 가압부재들(140, 141)은 가압 지그들(130, 131)에 본 발명이 소망하는 압축력을 전달하기 위해, 각각의 가압 지그(130, 131)와 탑-캡 인서트 가이드(150) 사이에 가압부재들(140, 141)이 연결되어 있고, 이러한 연결 구조로 인해 탑-캡 인서트 가이드(150)는 가압부재(140, 141)에 발생된 압축력의 반작용의 힘을 지지하는 지지대역할을 수행하게 된다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑-캡 압입장치를 나타낸 사진이다.
도 7를 참조하면, 한 쌍의 탑-캡 가이드(150)가 양 측에 위치하고 있고, 이러한 탑-탭 가이드(150) 사이에 전지 캔이 위치하게 된다. 또한, 전지 캔의 양 측면을 가압하기 위해 가압 지그(130)가 탑-캡 가이드 하단에 위치하고 있으며, 가압 지그(130)의 후미에는 전지 캔에 압축력을 전달하기 위해 가압부재(보이지 않음)가 위치하고 있으며, 가압부재는 탑-캡 가이드(150)와 연결되어 있다.
도 8은 본 발명에 따른 전지용 탑-캡 압입장치의 주름 방지 효과를 평가하기 위해 도 7의 본 발명에 따른 탑-캡 압입장치와 종래의 탑-캡 압입장치의 성능을 비교 실험한 사진이다.
본 실험에서는, 각각 도 7의 탑-캡 압입장치와 종래의 탑-캡 압입장치를 이용하여 탑-캡의 압입 공정을 수행하였고, 시편인 음극 판에 주름이 발생한 정도를 육안으로 확인하여 평가하였다.
도 8의 사진의 왼쪽의 시편은 본 발명에 따른 도 7의 탑-캡 압입장치를 이용한 결과이고, 오른쪽의 시편은 종래의 탑-캡 압입장치를 이용한 결과이다. 실험 결과, 탑-캡의 압입 공정 중에 발생한 하향력에 의해 음극 무지부에 주름이 생성되었고, 본 발명에 따른 탑-캡 압입장치의 결과가 종래의 탑-캡 압입장치의 결과보다 음극 무지부의 주름의 정도가 현저히 줄어든 것을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.
Claims (17)
- 전지의 음극 무지부에 주름을 방지하기 위한 장치로서,
전극조립체가 내장되어 있는 전지 캔의 개방 상단에 탑-캡이 압입되도록 탑-캡의 이동 방향 및 전지 캔의 변위 방향을 유도하는 탑-캡 인서트 가이드(top-cap insert guide);
상기 탑-캡이 압입되는 방향을 중심으로 전지 캔의 측면을 가압하는 하나 이상의 가압 지그(pressing jig);
상기 가압 지그에 의해 전지 캔에 압축력을 전달하는 가압부재(pressing member);
상기 전지 캔의 상부에서 상하 왕복 운동을 하고, 하향 운동시 탑-캡을 가압하여 전지 캔의 개방 상단에 압입하는 프레스(press); 및
상기 프레스의 작동을 제어하는 제어부(controlling part);
를 포함하고 있고,
상기 가압부재는 전지 캔과 가압 지그가 대향하는 방향으로 가압 지그와 탑-캡 인서트 가이드 사이를 연결하고 있는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 전지 캔은 각형 캔인 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가압 지그는 전지 캔의 양 측면을 가압할 수 있도록 제 1 가압 지그 및 제 2 가압 지그를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가압부재는 압축 스프링을 포함하고 있고, 상기 압축 스프링의 탄성력에 의해 전지 캔에 압축력이 전달되는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 가압부재는 전지 캔에 전달되는 압축력을 조절하기 위한 힘조절 부재를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 힘조절 부재는 압축 스프링의 탄성력을 조절하는 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 힘조절 부재는, 프레스가 탑-캡을 가압할 때 발생하는 하향력(P)보다 가압 지그가 전지 캔을 가압하여 발생시킨 마찰력(K)을 크거나 또는 그와 같도록 조절하는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 프레스는 상하 왕복 운동을 위한 구동부를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 프레스가 하향 운동에 의해 탑-캡을 가압한 후 상향 운동에 의해 원 위치로 복귀하도록 작동 제어하는 것을 특징으로 하는 전지용 탑-캡 압입장치.
- 제 1 항에 따른 전지용 탑-캡 압입장치를 사용하여 전지를 제조하는 방법으로서,
(a) 전지 캔의 내부에 전극조립체를 장착하는 단계;
(b) 상기 탑-캡 인서트 가이드를 전지 캔에 밀착시키는 단계;
(c) 상기 전지 캔의 측면을 가압 지그들로 가압하는 단계;
(d) 상기 프레스가 하향 이동하여 탑-캡을 전지 캔의 개방 상단에 압입하는 단계;
(e) 상기 압입된 탑-캡으로 전지 캔을 밀봉하는 단계; 및
(f) 전해액을 주입하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 전지 제조방법. - 제 1 항에 따른 전지용 탑-캡 압입장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 12 항에 있어서, 상기 이차전지는 각형 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 12 항에 있어서, 상기 이차전지는 젤리-롤형 전극조립체가 전해액과 함께 전지 캔의 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 12 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 15 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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