KR101823461B1 - 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 시스템에 있어서, 전극 시트 및 분리막 시트를 공급하기 위한 롤 어셈블리; 상기 전극 시트 및 분리막 시트를 와인딩하여 상기 전극조립체를 형성하도록 회전 가능하게 설치된 권심 부재; 및 상기 분리막 시트의 표면에 대하여 코로나 방전 처리를 수행하는 표면 개질 처리부;를 포함하고, 상기 롤 어셈블리는 상기 분리막 시트의 진행을 가이드하는 가이드 롤과, 상기 가이드 롤을 통과한 상기 분리막 시트를 하부에서 지지하고 일측에는 상기 코로나 처리를 위한 전극이 연결되는 처리 롤을 포함하고, 상기 표면 개질 처리부는 상기 처리 롤의 곡면 상에 지지된 상기 분리막 시트에 대향하여 배치된 코로나 방전 처리기이고, 상기 코로나 방전 처리기를 커버링하고 상기 처리 롤을 향하는 면이 개방된 구조를 가진 수지 커버;를 구비한 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 시스템을 개시한다.

Description

이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 시스템{WINDING PROCESSING SYSTEM FOR FABRICATING ELECTRODE ASSEMBLY OF SECONDARY BATTERY}

본 발명은 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차전지의 전해액 주입 및 함침 효율을 향상시킬 수 있도록 공정이 개선된 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것이다.

리튬 이차전지는 에너지 밀도가 높고, 작동전압이 높을 뿐만 아니라 우수한 보존 및 수명특성을 보이는 등 많은 장점이 있어 개인용 컴퓨터, 캠코더, 휴대용 전화기, 휴대용 CD 플레이어, PDA 등 각종 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있다.

리튬 이차전지는 원통형 또는 각형의 케이스와, 전해액과 함께 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체를 포함하여 이루어진다.

통상적으로 전해액은 전극 조립체에 충분히 함침되기가 어려우며, 근래에는 전지의 고용량화, 컴팩트화로 인해 전지의 케이스 내에 전해액을 주입하기 위한 공간이 협소해짐에 따라 전해액의 함침성이 더욱 좋지 않은 문제가 있다.

이차전지의 전해액 함침과 관련된 기술은 대한민국 공개특허공보 제2001-0011573호, 제2007-0071242호 등에 개시되어 있다.

대한민국 공개특허공보 제2001-0011573호는 전극 및 세퍼레이터의 내부에 정량의 전해액을 함침하여 전지의 충·방전 특성 및 고율 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 폴리머 이차전지의 전해액 함침 장치 및 그 함침 방법에 관한 것으로서, 양극과 음극 사이에 샌드위치 된 상태로 세퍼레이터를 배치하여 적층함으로써 셀을 구성하고, 상기 셀에서 미리 투입된 가소제를 추출하여 다수 기공을 형성한 후 상기 기공에 전해액을 함침함에 있어서, 상기 셀을 트레이에 배치하며 여기에 정량의 전해액을 주입하고, 이어서 최대 0.2 기압의 진공 분위기에서 4∼10분 동안 방치하여 전해액을 함침하고, 상기 셀을 파우치에 수납한 후 실링하는 함침 방법을 개시하고 있다.

대한민국 공개특허 제2007-0071242호는 기하학적 구조상 전지의 상하부 거의 전면을 막고 있는 형상을 하고 있는 절연판의 표면을 전해액과 친한 고분자 물질로 코팅하거나, 전해액의 표면장력을 감소시키는 계면활성제로 코팅하여 전해액에 대한 절연판 표면의 배타적인 성향을 낮춤으로써 전지 내부에서의 전해액 유동성이 높아져 고른 함침과 함께 전해액의 함침 속도를 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지를 개시하고 있다.

상기와 같은 기술들이 제안되었음에도 불구하고, 종래의 리튬 이차전지는 전해액 주입 시 전해액이 흘러 넘치거나 상부에 머무르는 함침 불량이 여전히 발생하는 문제가 있다. 도 1 내지 도 2에는 분리막 시편에 대한 함침 불량이 발생한 예가 나타나 있다.

또한, 종래의 리튬 이차전지는 전해액이 셀 내부에 고루 분포되지 못하거나 후공정 설비를 오염시키는 문제가 발생하여 이에 대한 대책이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 이차전지의 전극을 감는 와인딩 공정중에 분리막에 대하여 표면 개질 처리를 수행하여 전해액의 함침 특성을 향상시킬 수 있는 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 방법 및 이를 위한 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 시스템에 있어서, 전극 시트 및 분리막 시트를 공급하기 위한 롤 어셈블리; 상기 전극 시트 및 분리막 시트를 와인딩하여 상기 전극조립체를 형성하도록 회전 가능하게 설치된 권심 부재; 및 상기 분리막 시트의 표면에 대하여 코로나 방전 처리를 수행하는 표면 개질 처리부;를 포함하고, 상기 롤 어셈블리는 상기 분리막 시트의 진행을 가이드하는 가이드 롤과, 상기 가이드 롤을 통과한 상기 분리막 시트를 하부에서 지지하고 일측에는 상기 코로나 처리를 위한 전극이 연결되는 처리 롤을 포함하고, 상기 표면 개질 처리부는 상기 처리 롤의 곡면 상에 지지된 상기 분리막 시트에 대향하여 배치된 코로나 방전 처리기이고, 상기 코로나 방전 처리기를 커버링하고 상기 처리 롤을 향하는 면이 개방된 구조를 가진 수지 커버;를 구비한 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 시스템을 제공한다.

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본 발명에 따르면 전극조립체의 형성을 위한 와인딩 공정중에 분리막에 대하여 코로나 표면 개질 처리를 수행함으로써 전해액의 젖음성 특성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명을 적용할 경우 이차전지의 전해액 주입성과 함침성이 개선될 수 있다.

또한, 본 발명을 적용할 경우 전해액 주입 시 전해액이 흘러 넘치는 현상이 발생하지 않으므로 설비 오염을 방지할 수 있고, 설비 오염으로 인한 부동을 예방할 수 있고 설비 점검 주기를 감소시킬 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 1 및 도 2는 종래기술의 적용 시 발생하는 함침 불량의 예를 보여주는 사진,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와인딩 공정 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명에 따라 코로나 방전 처리가 이루어진 시료의 전해액 접촉각 감소 및 젖음성 특성을 나타낸 테이블,
도 5는 본 발명의 적용에 따라 얻어진 함침 양품의 예를 보여주는 사진,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와인딩 공정 방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

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 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와인딩 공정 시스템의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와인딩 공정 시스템은 전극조립체를 형성하기 위한 소재 시트(1)를 공급하는 롤 어셈블리(110,111)와, 소재 시트(1)를 와인딩하도록 회전 가능하게 설치된 권심 부재와, 소재 시트(1)의 표면에 대하여 코로나 방전 처리를 수행하는 코로나 방전 처리기(100)를 구비한 표면 개질 처리부를 포함한다. 여기서, 소재 시트(1)는 전극조립체의 구성요소가 되는 분리막 시트를 지칭한다.

롤 어셈블리(110,111)는 소재 시트(1)의 진행을 가이드하여 표면 개질 처리부쪽으로 안내하는 가이드 롤(110)과, 가이드 롤(110)을 통과한 소재 시트(1)를 하부에서 지지하고 통과시키는 처리 롤(111)을 구비한다.

처리 롤(111)은 통전 가능한 몸체를 구비하고, 일측에는 코로나 처리를 위해 표면 개질 처리부에 마련된 전극에 대응하는 전극이 연결된다.

표면 개질 처리부는 처리 롤(111)에 대응하도록 상기 처리 롤(111)의 상부에 배치된 코로나 방전 처리기(100)에 의해 구성된다. 코로나 방전 처리기(100)는 TR(103) 및 발진기(104)를 포함하는 소정의 구동회로부(102)에 의해 발생하는 고주파, 고전압 출력을 코로나 방전 처리기(100)에 구비된 소정의 방전 전극과 처리 롤(111) 사이에 인가함으로써 코로나 방전을 일으킨다. 코로나 방전은 소재 시트(1)를 두께 방향으로 통과하면서 소재 시트(1)의 표면을 개질시키는 작용을 하게 된다. 이러한 코로나 방전 처리의 수행 시, 방전 자체의 물리적인 표면 개질과 극성 관능기 생성에 의한 화학적인 표면 개질의 상승효과에 의해 현저한 전해액의 젖음성 향상 효과를 얻을 수 있다.
도 3에 나타난 바와 같이 코로나 방전 처리기(100)는 처리 롤(111)의 곡면 상에 지지된 소재 시트(1)에 대향하여 배치되어, 처리 롤(111)의 곡면을 따라 당겨지는 소재 시트(1)에 대하여 코로나 방전 처리를 수행한다.

코로나 방전 처리기(100)는 이를 커버링하는 수지 커버(101)에 의해 보호된다. 수지 커버(101)는 그 하면, 즉 처리 롤(111)을 향하는 면이 개방된 구조를 가짐으로써 수지 커버(101)를 커버링하고 소재 시트(1)에 대한 코로나 방전 처리 효율을 높여주는 기능을 제공한다.

권심 부재는 코로나 방전 처리기(100)에 의해 코로나 방전 처리가 완료된 소재 시트(1)를 전달받아 와인딩하여 전극조립체를 형성한다. 권심 부재로는 통상의 젤리-롤 와인딩 공정 시스템에 사용되는 권심이 채용 가능하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 권심 부재는 전극 시트와 분리막 시트의 적층체를 와인딩하여 전극조립체를 형성한다. 이를 위해, 권심 부재는 와인딩 공정 시스템의 일측에 회전 가능하게 설치된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상호 대향하게 배치된 한 쌍의 전극 부재(미도시)를 구비한 코로나 방전 처리기(100)를 포함하고, 소재 시트(1)가 상기 한 쌍의 전극 부재 사이를 통과하도록 구성된 와인딩 공정 시스템이 제공된다.

도 4에는 본 발명에 따라 코로나 방전 처리가 이루어진 시료의 전해액 접촉각 감소 및 젖음성 특성을 나타나 있다. 도 4를 참조하면, 분리막 소재에 대하여 코로나 방전 처리를 한 경우, 코로나 방전 처리를 하지 않은 경우에 비해 전해액 접촉각이 감소하고 전해액의 젖음성이 향상됨을 확인할 수 있다. 여기서, 코로나 방전 조건은, 코로나 방전 처리기의 상부는 0.14kW, 27.2kHz, 하부는 0.15kW, 20.5kHz로 설정하였다.

도 5에는 상기와 같은 전해액 접촉각 감소 및 젖음성 특성의 향상에 따라, 코로나 방전 처리된 분리막 시편에 대한 함침 양품이 얻어진 예가 나타나 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이 소재 시트 공급(단계 S100), 코로나 방전 처리(단계 S110) 및 와인딩 처리(단계 S120)를 포함하는 와인딩 공정 방법이 제공된다. 이러한 와인딩 공정 방법은 상술한 와인딩 공정 시스템에 의해 수행될 수 있다.

시트 공급 과정(단계 S100)에서는 전극 시트와 소재 시트(1)인 분리막 시트를 언와인딩하여 연속적으로 공급한다.

코로나 방전 처리 과정(단계 S110)에서는 연속적으로 공급되는 소재 시트(1)에 대하여 코로나 방전을 일으켜서 표면 개질 처리를 수행한다. 이때, 코로나 방전 처리기(100)는 처리 롤(111)의 곡면 상에 지지된 소재 시트(1)에 대향하여 배치되어, 처리 롤(111)의 곡면을 따라 당겨지는 소재 시트(1)에 대하여 코로나 방전 처리를 수행한다.

와인딩 처리 과정(단계 S120)에서는 소정의 가이드 롤 등을 이용해 전극 시트와 분리막 시트를 적층한 상태에서 권심 부재에 감아서 젤리-롤 구조의 전극조립체를 형성한다.

상술한 구성을 가진 와인딩 공정 방법 및 공정 시스템에 의해 제조된 전극조립체는 분리막이 코로나 방전에 의해 표면 개질 처리된 구조에 의해 전해액의 주입성과 젖음성 특성이 현저히 향상된다.

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: 소재 시트 100: 코로나 방전 처리기
101: 수지 커버 102: 구동회로부
110: 가이드 롤 111: 처리 롤

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 시스템에 있어서,
   전극 시트 및 분리막 시트를 공급하기 위한 롤 어셈블리;
   상기 전극 시트 및 분리막 시트를 와인딩하여 상기 전극조립체를 형성하도록 회전 가능하게 설치된 권심 부재; 및
   상기 분리막 시트의 표면에 대하여 코로나 방전 처리를 수행하는 표면 개질 처리부;를 포함하고,
   상기 롤 어셈블리는 상기 분리막 시트의 진행을 가이드하는 가이드 롤과, 상기 가이드 롤을 통과한 상기 분리막 시트를 하부에서 지지하고 일측에는 상기 코로나 처리를 위한 전극이 연결되는 처리 롤을 포함하고,
   상기 표면 개질 처리부는 상기 처리 롤의 곡면 상에 지지된 상기 분리막 시트에 대향하여 배치된 코로나 방전 처리기이고,
   상기 코로나 방전 처리기를 커버링하고 상기 처리 롤을 향하는 면이 개방된 구조를 가진 수지 커버;를 구비한 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 공정 시스템.
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