KR101790638B1 - 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극 및 분리막의 적층체를 권취하여 젤리-롤 타입의 전극조립체를 형성하기 위한 로드 형태의 권심을 구비하고, 상기 권심의 외부면에는 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층이 마련된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치를 개시한다.

Description

원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치{WINDING APPARATUS FOR FABRICATING ELECTRODE ASSEMBLY OF CYLINDERICAL SECONDARY BATTERY}

본 발명은 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 젤리-롤(Jelly-roll) 형태의 전극조립체를 형성하기 위한 전극조립체 제조용 와인딩 장치에 관한 것이다.

일반적으로 원통형 이차전지는 원통형의 전지 케이스와, 상기 전지 케이스의 상부에 밀봉 결합된 캡 조립체와, 전해액과 함께 상기 전지 케이스에 수용된 전극조립체를 포함한다.

전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 교대로 적층된 것으로서, 긴 시트형의 양극들과 음극들이 분리막이 개재된 상태에서 권심에 의해 권취되어 실질적으로 젤리-롤 형태를 이룬다.

이차전지용 전극조립체의 제조용 와인딩 장치의 주요 구성요소인 권심과 관련된 기술은 한국공개특허 제2009-0037552호에 개시되어 있다.

한국공개특허 제2009-0037552호는 유/무기 복합층은 이차전지의 충방전시 부피 변화를 완충할 수 있는 미세 기공을 포함하고 있고, 복합 분리막과 권심 사이의 계면 마찰계수(μ)가 0.28 이하인 것을 특징으로 하는, 젤리-롤형 전극조립체의 변형을 억제하기 위한 제조방법을 개시하고 있다.

한국공개특허 제2009-0037552호에 따르면 유/무기 복합층에 형성된 미세 기공에 의해 충방전시 전극의 부피 변화를 완충할 수 있어서 젤리-롤의 변형을 방지할 수 있다

통상적으로 원통형 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 권심은 도 1의 (a) 내지 (b)에 도시된 바와 같이 상호 독립적으로 전,후진 가능하게 설치된 제1 권심부재(11)와 제2 권심부재(12)로 이루어진 권심 본체(10)를 구비하고, 젤리-롤 타입의 전극조립체(1)의 배출 시 제1 권심부재(11)와 제2 권심부재(12)는 각각 차례대로 후진하도록 동작된다.

그런데, 종래의 권심은 귄취 장치의 테일 센터 핀(Tail center pin)(20)이 삽입되는 구간을 비롯한 모든 구간의 둘레 형상이 도 2에 도시된 바와 같이 실질적으로 원형을 이루는 구조로 인해, 전극조립체(1)의 배출 시 후진하는 제1/제2 권심부재(11,12)에 의해 분리막이 태극 무늬 형상을 이루면서 젤리-롤의 외부로 끌려나오는 문제가 빈번히 발생하는 취약점이 있다.

일반적으로 젤리-롤 타입의 전극조립체 제조공정은 양극/분리막/음극의 적층체의 단부에 권심을 끼워 원통형으로 권취한 후 전극조립체에서 권심을 제거하는 공정을 포함한다. 그러나, 권심을 제거하는 공정 시 전극조립체의 최내층에 위치하는 분리막과 권심 사이의 마찰력에 의해 분리막이 손상되거나 전극조립체 밖으로 끌려나오는 불량이 발생하여 생산 효율이 저하되거나, 전극의 단선 및 내부 단락 등 전지의 안전성을 저하시키는 문제가 발생한다.

권심을 회전시켜 젤리-롤 타입의 전극조립체를 형성한 후에는 소정의 리폼 핀(Reform pin)을 전극조립체의 중심 방향으로 전진시켜 젤리-롤에서 발생한 태극 무늬 형상을 원형으로 변형시켜주는 리폼 공정이 수행된다. 그러나, 종래기술에 따르면 리폼 핀의 전진 시 리폼 핀과 분리막 사이에 마찰이 과도하게 발생하여 전극조립체에 손상이 발생하거나, 후속되는 용접봉의 삽입 공정 불량, 저항용접 인장강도 불량 등이 야기되는 문제가 있어 이에 대한 대책이 요구되고 있다.

특히, 근래에 검토되고 있는 신규 저가 분리막의 경우 마찰계수가 높고 기계적 강도가 낮아 권심과의 마찰에 의해 분리막 밀림, 끌려나오는 현상으로 인한 분리막 손상을 방지하는 데 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 권심과 전극조립체 사이의 마찰력을 최소화하도록 권심이 표면처리되어 젤리-롤 구조에 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 젤리-롤 타입의 전극조립체에 대한 리폼 공정 시 리폼 핀과 전극조립체 사이의 마찰력을 최소화하도록 리폼 핀이 표면처리되어 젤리-롤 권취 구조에 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전극 및 분리막의 적층체를 권취하여 젤리-롤 타입의 전극조립체를 형성하기 위한 로드 형태의 권심을 구비하고, 상기 권심의 외부면에는 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층이 마련된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치는 상기 전극조립체의 중심에 삽입되어 리폼 공정을 수행하도록 상기 전극조립체의 중심에 대하여 전,후진 가능하게 설치되고 외부면에는 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층이 마련된 리폼 핀을 더 포함할 수 있다.

상기 권심은 둘레 중심을 기준으로 서로 분리된 제1 권심부재 및 제2 권심부재의 쌍으로 이루어지고, 상기 제1 권심부재 및 제2 권심부재 중 적어도 어느 하나는 종방향으로 전,후진 가능하게 설치될 수 있다.

상기 권심의 둘레 형상은 원형인 것이 바람직하다.

상기 권심에 있어서 제1 권심부재 및 제2 권심부재 중 적어도 어느 하나의 외부면에는 길이방향을 따라 평탄 가공부가 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 및 분리막의 적층체를 권심을 이용해 권취하여 젤리-롤 타입의 전극조립체를 형성하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치에 있어서, 상기 권심에 의해 형성된 전극조립체의 중심에 삽입되어 리폼 공정을 수행하도록 상기 전극조립체의 중심에 대하여 종방향으로 전,후진 가능하게 설치된 리폼 핀을 구비하고, 상기 리폼 핀의 외부면에는 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층이 마련된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면 권심 및/또는 리폼 핀의 표면에 형성된 마찰저감층에 의해 권심 및/또는 리폼 핀과, 전극조립체 간의 마찰력을 감소시킬 수 있으므로 전극조립체의 배출 시 젤리-롤 권취 구조에 손상이나 분리막을 이루는 시트의 일부가 권취된 전극조립체 밖으로 끌려나오는 현상 등의 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명을 적용할 경우 원통형 이차전지에 사용되는 젤리-롤 형태의 전극조립체의 생산성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 권심은 종래기술에 따른 권심의 기본적인 사양을 그대로 유지한 형태로 구현될 수 있으므로 기존 대비 동등 수준의 공정성을 확보할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치의 구성도,
도 2는 도 1에서 권심의 둘레 형상을 개략적으로 보여주는 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치을 도시한 구성도,
도 4는 도 3에서 권심의 구조를 개략적으로 보여주는 구성도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치에 구비되는 리폼 핀의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치를 도시한 구성도이다.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치는 둘레 형상이 실질적으로 원형을 이루고 외부면의 적어도 일부에는 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층(104)이 마련된 로드(Rod) 형태의 권심 본체(100)를 구비한다.

권심 본체(100)의 앞쪽 단부는 시트형 적층체의 단부가 삽입될 수 있도록 벌어진 형태로 구성된다. 또한, 권심 본체(100)는 그 둘레 중심을 기준으로 서로 분리된 제1 권심부재(101) 및 제2 권심부재(102)의 쌍으로 이루어진다. 제1 권심부재(101)와 제2 권심부재(102)는 각각 그에 대응하는 지지부재(110,111)와 결합된다.

제1 권심부재(101) 및 제2 권심부재(102)는 각각 소정의 액츄에이터(미도시)에 의해 구동되어 차례대로 종방향으로 전,후진 동작을 하게 된다. 이러한 동작에 의하면 젤리-롤 형태의 전극조립체(1)가 완성되었을 때 권심에서 전극조립체(1)를 편리하게 배출할 수 있다.

권심 본체(100)의 둘레 형상은 전극조립체(1)를 젤리-롤 형태로 권취할 수 있도록 실질적으로 원형을 이룬다. 즉, 권심 본체(100)를 이루는 제1 권심부재(101)와 제2 권심부재(102)는 각각 실질적으로 반원 형상의 횡단면을 갖도록 구성되고 상호 대향하도록 배치된다.

권심 본체(100)의 외부면의 적어도 일부에는 전극조립체(1)와의 마찰을 줄이기 위해 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층(104)이 마련된다. 마찰저감층(104)은 마이크로 블라스팅(Micro blasting) 공정과 더불어 수행되는 CONIF 코팅 공정에 의해 형성된다. 여기서, 마이크로 블라스팅 공정은 입경이 20~40㎛ 수준인 세라믹 계통의 미세 입자 분말을 분사하여 권심 본체(100)의 외부면에 대한 표면거칠기를 조절하도록 수행된다.

마찰저감층(104)은 마이크로 블라스팅 공정에 의해 표면거칠기가 조절된 권심 본체(100)의 외부 표면에 대하여 CONIF 코팅 처리를 수행함으로써 형성된다. 마찰저감층(104)은 전극조립체(1)의 배출 시 권심 본체(100)와 전극조립체(1)의 최내층 간의 마찰을 최소화함으로써 젤리-롤의 손상이나 분리막을 이루는 시트의 일부가 권취된 전극조립체 밖으로 끌려나오는 현상 등을 방지하는 현저한 효과를 제공한다. 마찰저감층(104)은 권심 본체(100)의 외부면 중 전극조립체(1)의 최내층과 접촉하는 부분에만 형성될 수 있으며, 대안으로 코팅 작업의 편의상 권심 본체(100)의 외부면 전체에 형성될 수도 있다.

마찰저감층(104)을 이루는 CONIF 코팅 효과의 검증을 위한 코팅 종류별 마찰계수 측정을 수행하였다. 여기서, 마찰력의 측정을 위한 측정기기로는 TOYOSEIKI Frication Tester TA가 채용되었고, 측정 방법은 베이스에 고정된 분리막 위에 정해진 규격의 Sled를 올려 놓은 후 로드셀(Load cell)을 연결하여 팽팽하게 유지한 상태에서 상기 베이스를 이동시키는 방식을 사용하였다. 측정 조건은 Speed: 200mm/min, Length: 50mm, Load cell: 10N으로 설정하고, 마찰력 측정용 지그로는 Size: 30x30x3.7mm(가로x세로x높이), Weight: 100g, 표면조도: 0.6㎛(Sand blasting)의 제원을 가진 Sled가 사용되었다.

측정 결과, 권심의 표면처리를 위해 기존에 사용되던 DLC(Diamond-Like-Carbon) 코팅 대비 CONIF 코팅이 상대적으로 낮은 마찰계수 특성을 갖는 것으로 나타났다.

권심 본체(100)와 전극조립체(1) 간의 마찰을 더욱 줄이기 위해서는 권심 본체(100)에 있어서, 예컨대 제1 권심부재(101)의 외주면에는 길이방향을 따라 연장된 평탄 가공부(103)가 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 전극조립체의 중심에 삽입되어 리폼 공정을 수행하는 리폼 핀(200)이 구비된 전극조립체의 와인딩 장치가 제공된다.

리폼 핀(200)은 전극조립체의 중심에 대하여 전,후진 가능하게 설치되는 것으로서, 기본적으로 통상의 젤리-롤 리폼 공정에 사용되는 열간 리폼 핀의 구성을 포함한다. 리폼 핀(200)은 그 외부면에 CONIF 코팅에 의해 마찰저감층(미도시)이 마련된 구조를 가진다. 이러한 구성에 의하면, 권심에 의해 젤리-롤 타입의 전극조립체가 형성된 이후에 리폼 핀(200)을 전극조립체의 중심 방향으로 전진시켜 젤리-롤에서 발생한 태극 무늬 형상을 원형으로 변형시켜주는 리폼 공정을 수행함에 있어, 리폼 핀(200)의 전진 시 리폼 핀(200)의 외부면에 형성된 마찰저감층과 전극조립체의 최내층 사이에 마찰이 현저히 감소하게 되므로 전극조립체에 손상이 발생하거나, 후속되는 용접봉의 삽입 공정 불량, 저항용접 인장강도 불량 등이 야기되는 문제를 해결할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 권심은 원통형 이차전지의 젤리-롤 타입 전극조립체 제조를 위한 전극조립체 와인딩 장치에 적용된다. 젤리-롤 타입 전극조립체 제조공정에서 권심은 전극조립체(1)의 단부에 끼워져서 회전하도록 구동되어, 권심 본체(100)에서 전극조립체(1)를 원통형으로 권취한다.

전극조립체(1)의 권취가 완료된 이후 리폼 공정의 진행 시에는 리폼 핀(200)의 표면에 형성된 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층에 의해 마찰을 최소화함으로써 전극조립체의 손상 등을 최소화 할 수 있다.

또한, 전극조립체(1)의 배출 공정의 진행 시에는 권심 본체(100)의 외부면에 형성된 마찰저감층(104)에 의해 전극조립체(1)의 최내층과의 마찰을 매우 작게 유지하게 되므로 분리막을 이루는 시트의 일부가 권취된 전극조립체(1) 밖으로 끌려나오는 현상 등의 발생 없이 전극조립체(1)를 원활하게 배출시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1: 전극조립체 100: 권심 본체
101: 제1 권심부재 102: 제2 권심부재
103: 평탄 가공부 104: 마찰저감층
110,111: 지지부재 200: 리폼 핀

Claims (6)

1. 삭제
2. 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치에 있어서,
   전극 및 분리막의 적층체를 권취하여 젤리-롤 타입의 전극조립체를 형성하기 위한 로드 형태의 권심을 구비하고,
   상기 권심의 외부면에는 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층이 마련되고,
   상기 전극조립체의 중심에 삽입되어 리폼 공정을 수행하도록 상기 전극조립체의 중심에 대하여 전,후진 가능하게 설치된 리폼 핀을 포함하고,
   상기 리폼 핀의 외부면에는 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층이 마련된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 권심은 둘레 중심을 기준으로 서로 분리된 제1 권심부재 및 제2 권심부재의 쌍으로 이루어지고,
   상기 제1 권심부재 및 제2 권심부재 중 적어도 어느 하나는 종방향으로 전,후진 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 권심의 둘레 형상이 원형인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 권심에 있어서 제1 권심부재 및 제2 권심부재 중 적어도 어느 하나의 외부면에는 길이방향을 따라 평탄 가공부가 마련된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치.
6. 전극 및 분리막의 적층체를 권심을 이용해 권취하여 젤리-롤 타입의 전극조립체를 형성하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치에 있어서,
   상기 권심에 의해 형성된 전극조립체의 중심에 삽입되어 리폼 공정을 수행하도록 상기 전극조립체의 중심에 대하여 종방향으로 전,후진 가능하게 설치된 리폼 핀을 구비하고,
   상기 리폼 핀의 외부면에는 CONIF 코팅으로 이루어진 마찰저감층이 마련된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지의 전극조립체 제조용 와인딩 장치.

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