KR102032814B1 - 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 이차전지를 제조할 때 금속 캔 내부에 수납되게 되는 알루미늄 시트가 권취되어 형성된 젤리롤의 양단(兩端)을 프레스로 압착하는 공정에서, 프레스에 지그(jig)를 장착함으로써 젤리롤의 양단 형상이 일그러져 표면이 균일하지 못하게 되고 방향성이 틀어지게 되는 현상을 방지하여 이차전지의 성능 향상에 기여할 수 있는, 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치를 제공하기 위한 것이다.

Description

이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치{Jelly roll end compression molding device of secondary cell}

본 발명은 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이차전지를 제조하는 공정에서 금속 캔 내부에 수납되게 될 알루미늄 시트가 권취되어 형성된 젤리롤의 양단을 압착할 때 그 형상이 일그러지거나 방향성이 틀어지지 않도록 하는, 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치에 관한 것이다.

이차전지(secondary cell)는 외부에서 공급받은 전기에너지를 화학에너지의 형태로 변환하여 저장해 두었다가 필요할 때에 다시 전기에너지로 변환시키는 장치, 즉 전기에너지가 화학에너지로 변환되는 충전과 역방향인 방전을 통하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 말하고, 여러 번 충전할 수 있다는 의미로 충전식 전지(rechargeable battery)라고도 하며, 이차전지는 충전이 불가능하여 사용 후 폐기시키는 일차전지(건전지)와는 달리 충전 및 방전이 가능하므로 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등 모바일 전자기기 분야는 물론 전기자동차에 이르기까지 널리 사용되면서 수요가 급증하고 있다.

현재 상용화된 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 단위 중량당 에너지 밀도가 월등히 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용이 증가하고 있다. 리튬 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.

전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리롤형 전극조립체, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell) 등의 유닛 셀들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다. 그 중 젤리롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다. 일반적으로 원통형 전지는 젤리롤형 전극조립체를 원통형 금속 케이스에 수납하여 제조된다.

이러한 젤리롤형 전극조립체(이하에서는 "젤리롤"로 약칭한다)를 사용하여 전지를 제조할 때에는, 양극/분리막/음극의 적층체를 둥글게 권취하여 최외곽 종단부를 씰 테이프(seal tape)로 고정시킨 뒤 전지케이스인 금속 캔에 수납하고, 전해액을 주입한 다음, 금속 캔의 개방된 양단에 전극단자가 형성되어 있는 탑 캡을 전지케이스인 금속 캔에 용접하여 제작한다.

그런데, 젤리롤을 금속 캔에 수납하기 전에 젤리롤을 양단(兩端)에서 프레스로 압착하는 공정을 거치게 되는데, 이 과정에서 알루미늄 시트가 권취되어 형성된 젤리롤이 압착되면서 젤리롤의 양단 형상이 일그러지게 되어 표면이 균일하지 못하고 방향성이 틀어지게 되기 때문에(도 7 참조) 프레스 압착공정이 끝나고 젤리롤이 수납된 금속 캔과 탑 캡을 용접하기 힘들게 될 뿐만 아니라 권취된 시트가 변형되어 단락을 유발하고, 금속 캔과 탑 캡의 용접 부위에 균열이 발생하면서 전지케이스 내부의 전해액이 유출되는 등 전지의 성능에 악영향을 미치게 되는 심각한 문제가 발생하게 된다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 특허등록 제1163387호 "젤리롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지"와 같은 기술이 출현하였으나, 상기 특허는 젤리롤의 파손 및 전해액 유출을 방지하기 위하여 권취한 알루미늄 시트의 외부에 부착하는 씰 테이프에 엠보싱 형상을 형성한 것으로, 젤리롤 양단에서 프레스로 압착하는 공정에서 발생하는 권취된 시트의 형상이 일그러지는 문제는 해결할 수 없기 때문에 전지의 성능에 악영향을 미치는 근원적인 문제는 해결할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 이차전지를 제조할 때 금속 캔 내부에 수납되게 되는 알루미늄 시트가 권취되어 형성된 젤리롤의 양단(兩端)을 프레스로 압착하는 공정에서, 프레스에 지그(jig)를 장착함으로써 젤리롤의 양단 형상이 일그러져 표면이 균일하지 못하게 되고 방향성이 틀어지게 되는 현상을 방지하여 이차전지의 성능 향상에 기여할 수 있는, 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 이차전지의 젤리롤 양단(兩端) 압축 성형장치는, 알루미늄 시트가 권취된 젤리롤의 양단(兩端)을 가압하는 프레스장치를 구비하게 되는데, 상기 프레스장치는, 받침대 상부에 놓인 젤리롤의 양단을 가압하게 되며, 서로 대향(對向)하도록 설치된 한 쌍의 가압성형부; 상기 젤리롤을 가압하고, 가압 후 젤리롤에서 분리될 수 있도록 각 가압성형부를 전진 및 후진시키기 위한 한 쌍의 제1실린더;를 포함하여 한 세트를 이루도록 구성되고, 상기 가압성형부는, 판상(板狀)의 평판부; 상기 평판부의 일측방향으로 가장자리를 따라 평판부에 수직하도록 일정 높이로 설치된 측벽부; 상기 평판부의 중앙부분으로부터 4∼8개가 방사상으로 분포되어 돌출 설치되고, 돌출된 높이는 가장자리로 갈수록 높아지도록 경사져서 설치된 지그(jig);를 구비하여 구성되며, 상기 가압성형부에 돌출되어 설치된 지그가 젤리롤의 양단을 가압하게 되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 프레스장치는 2∼4개 세트가 젤리롤이 반입되어 반출되는 방향을 따라 일정 간격으로 배치되어 설치되며, 젤리롤이 반입되는 쪽에 설치된 첫번째 프레스장치의 일측 가압성형부에는 수직방향으로 제2실린더가 더 설치되고, 제2실린더는 한 쌍의 그립으로 구성된 그립부가 구비되어, 그립부는 첫번째 프레스장치에서 가압이 완료된 젤리롤의 양단에서 가압성형부가 분리될 때 젤리롤가 움직이지 않도록 잡아주는 작동을 하게 된다.

바람직하게는, 젤리롤을 지지해 주는 받침대는 프레스장치마다 설치되고, 프레스장치마다 설치되는 받침대는 하나의 캐리어 상부에 일정 간격으로 설치되며, 젤리롤의 양단이 가압된 후 가압성형부가 젤리롤에서 분리된 다음에는 캐리어가 이동하면서, 캐리어 상부에 설치된 각 받침대에 얹혀져 있는 젤리롤이 다음 프레스장치가 설치된 위치로 이동하게 된다.

바람직하게는, 젤리롤이 반입되어 반출되는 방향으로 2∼4개 세트가 설치된 프레스장치는, 반출되는 쪽으로 갈수록 더 큰 압력으로 젤리롤을 가압하게 된다.

바람직하게는, 한 쌍의 가압성형부에서 어느 한 쪽의 가압성형부에만 지그가 설치되어 있다.

이차전지를 제조하는 과정에서, 알루미늄 시트가 권취된 젤리롤을 금속 캔 내부에 수납하기 전에 젤리롤의 양단에서 프레스로 압착하는 공정을 거치게 되는데, 이때 젤리롤의 양단 형상이 일그러지게 되어 표면이 균일성을 상실하게 되고 방향성이 틀어지게 되어 결국에는 이차전지의 성능에 악영향을 미치게 되는 문제가 발생한다. 본 발명에 따른 젤리롤 양단 압축 성형장치는 이차전지를 제조하는 공정 중에서 젤리롤의 양단을 압착하는 프레스에 방사상의 돌기가 형성된 지그(jig)를 장착함으로써 권취된 젤리롤의 양단 표면에 지그의 돌기에 대응하는 형상이 형성되면서 권취된 알루미늄 시트의 양단이 찌그러지지 않고 균일성과 방향성을 원래대로 유지할 수 있게 되어, 전극단자가 형성되어 있는 탑 캡을 금속 캔과 용접하는 작업도 수월하고 이차전지의 성능 향상에 현저하게 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압축 성형장치를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압축 성형장치를 도시한 측면도이다.
도 3과 도 4는 프레스장치에 젤릴롤을 장착하는 과정 및 압착하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 가압성형부를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 압축 성형장치로 가압한 젤리롤을 촬영한 사진이다.
도 7은 종래의 성형장치에서 가압한 젤리롤을 촬영한 사진이다.

본 발명에 따른 젤리롤 양단(兩端) 압축 성형장치의 가장 큰 기술적 특징은, 프레스장치에 적절한 지그(jig)를 장착함으로써 이차전지를 제조하는 공정에서 젤리롤의 양단을 프레스장치로 압착할 때 젤리롤 양단의 형상이 일그러지거나 균일성과 방향성을 상실하게 되는 문제를 근원적으로 해결하여 이차전지의 성능 향상에 기여할 수 있게 했다는 점이다.

본 발명에 따른 젤리롤 양단(兩端) 압축 성형장치는 알루미늄 시트가 권취된 젤리롤의 양단을 가압하기 위한 장치인데, 젤리롤(20)은 프레스장치(10)로 한 번만 가압하고 끝나는 것이 아니라 고품질을 위해서는 가압하는 압력을 높여가면서 2∼4번의 가압 과정을 거치게 된다. 따라서 압축 성형장치에는 2∼4개 세트의 프레스장치(10)를 설치하는 것이 바람직하다.

프레스장치(10) 각각은 가압성형부(11)와, 가압성형부(11)를 작동시키는 제1실린더(12)를 구비하여 한 세트를 이루게 된다. 가압성형부(11)는 서로 대향(對向)하도록 한 쌍이 설치되어, 양단에서 받침대(21) 상부에 놓인 젤리롤(20)의 단부를 가압하게 된다. 또한, 제1실린더(12)는 가압성형부(11)를 전진 및 후진 작동시키기 위한 것으로, 서로 대향하도록 설치된 한 쌍의 가압성형부(11)가 전진 및 후진하면서 젤리롤(20)을 가압하고, 가압 후 젤리롤(20)에서 분리되게 된다.

가압성형부(11)는, 판상(板狀)의 평판부(111)를 구비하고, 평판부(111)의 일측방향으로 평판부의 가장자리를 따라 수직하도록 일정 높이로 측벽부(112)가 설치되며, 평판부(111)의 중앙부분으로부터 4∼8개가 방사상으로 분포되어 지그(113)가 돌출 설치되어 구성되는데, 지그(113)의 돌출된 높이는 가장자리로 갈수록 높아지도록 경사져서 설치된다.

제1실린더(12)가 작동하여 가압성형부(11)에 돌출되어 설치된 지그(113)가 받침대(21) 상부에 놓인 젤리롤(20)의 양단을 가압하게 되는데, 젤리롤(20)의 양단에서 일정 부분이 측벽부(112) 내부에 삽입되면서, 가장자리로 갈수록 돌출된 높이가 높아지도록 설치된 지그(113)가 젤리롤(20)의 양단 표면을 눌러서 압박해 주기 때문에 젤리롤(20)의 양단 표면에는 지그(113)의 돌출된 형상에 대응하는 구(溝) 형상이 형성되게 되면서, 구(溝)와 구(溝)사이의 가장자리 부분이 안쪽으로 약간 오므라들면서 압축되고, 구(溝) 형상 때문에 권취된 알루미늄 시트에서 시트와 시트 사이의 간격이 불규칙하게 변하지 않고 원래 상태대로 균일한 형태를 유지할 수 있게 된다(도 6 참조). 또한, 필요에 따라서는 한 쌍의 가압성형부(11)에서 어느 한 쪽의 가압성형부에만 지그(113)를 설치할 수도 있다.

압축 성형장치에 프레스장치(10)를 2∼4개 세트를 설치하는 것이 바람직한데, 이때 프레스장치(10)는 젤리롤(20)이 반입되어 반출되는 방향을 따라 일정 간격으로 배치되어 설치되며, 젤리롤(20)이 반입되는 쪽에 설치된 첫번째 프레스장치의 일측 가압성형부(11)에는 수직으로 제2실린더(13)를 더 설치하는 것이 바람직하다. 제2실린더(13)는 한 쌍의 그립으로 구성된 그립부(131)가 구비되게 되는데, 그립부(131)는 첫번째 프레스장치에서 가압이 완료된 젤리롤(20)의 양단에서 가압성형부(11)가 분리될 때 젤리롤(20)을 잡아서, 분리되는 순간 젤리롤(20)이 움직이지 않도록 해준다. 다시 말하면, 가압이 완료된 젤리롤(20)의 양단에서 가압성형부(11)가 분리될 때 젤리롤의 양단에 형성된 구(溝)의 위치가 변하지 않게 해준다.

이와 같이 첫번째 가압된 젤리롤(20)이 받침대(21) 상부에서 가압될 때의 위치 및 자세가 그대로 유지된 상태에서 두번째 프레스장치로 이동된 후, 다시 두번째 프레스장치에서 가압성형부(11)가 젤리롤(20)을 가압할 때 지그(113)가 젤리롤(20)에 닿는 위치가 동일하게 된다. 또한, 한번에 큰 압력으로 가압하게 되면 젤리롤(20)의 양단 형상이 불규칙하게 변할 가능성이 있기 때문에 젤리롤(20)이 반입되어 반출되는 방향으로 2∼4개 세트가 설치된 프레스장치(10)는 반출되는 쪽으로 갈수록 더 큰 압력으로 젤리롤(20)을 가압하도록 하는 것이 바람직하다.

가압성형부(11)가 젤리롤(20)을 가압할 때 젤리롤(20)이 움직이지 않고 일정한 자세를 유지해야 하므로, 젤리롤(20)을 지지해 주는 받침대(21)가 프레스장치(10)마다 설치되어 있어야 한다. 프레스장치(10)가 복수개 세트가 설치되므로, 받침대(21)는 하나의 캐리어(22) 상부에 일정 간격으로 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성되기 때문에 젤리롤(20)의 양단이 가압된 후 가압성형부(11)가 젤리롤(20)에서 분리된 다음에는 캐리어(22)가 LM가이드(미도시)를 타고 일정 거리를 이동하면서, 캐리어(22) 상부에 설치된 받침대(21)에 얹혀져 있는 젤리롤(20)도 다음 프레스장치가 설치된 위치까지 이동하게 된다. 따라서 젤리롤(20)이 한번 받침대(21)에 얹혀지면 수차례의 가압이 끝날 때까지 동일한 받침대(21)에 그대로 얹혀져서 가압되게 된다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 프레스장치 11 : 가압성형부
111 : 평판부 112 : 측벽부
113 : 지그(jig) 12 : 제1실린더
13 : 제2실린더 131 : 그립부
20 : 젤리롤 21 : 받침대
22 : 캐리어

Claims (5)

1. 알루미늄 시트가 권취된 젤리롤의 양단(兩端)을 가압하는 프레스장치가 설치된 젤리롤 양단 압축 성형장치에 있어서,
   상기 프레스장치는,
   받침대 상부에 놓인 젤리롤의 양단을 가압하게 되며, 서로 대향(對向)하도록 설치된 한 쌍의 가압성형부;
   상기 젤리롤을 가압하고, 가압 후 젤리롤에서 분리될 수 있도록 각 가압성형부를 전진 및 후진시키기 위한 한 쌍의 제1실린더;
   를 포함하여 한 세트를 이루도록 구성되고, 상기 가압성형부는,
   판상(板狀)의 평판부;
   상기 평판부의 일측방향으로 가장자리를 따라 평판부에 수직하도록 일정 높이로 설치된 측벽부;
   상기 평판부의 중앙부분으로부터 4∼8개가 방사상으로 분포되어 돌출 설치되고, 돌출된 높이는 가장자리로 갈수록 높아지도록 경사져서 설치된 지그(jig);
   를 구비하여 구성되며, 상기 가압성형부에 돌출되어 설치된 지그가 젤리롤의 양단을 가압하게 되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 프레스장치는 2∼4개 세트가 젤리롤이 반입되어 반출되는 방향을 따라 일정 간격으로 배치되어 설치되며, 상기 젤리롤이 반입되는 쪽에 설치된 첫번째 프레스장치의 일측 가압성형부에는 수직방향으로 제2실린더가 더 설치되고,
   상기 제2실린더는 한 쌍의 그립으로 구성된 그립부가 구비되어, 그립부는 첫번째 프레스장치에서 가압이 완료된 젤리롤의 양단에서 가압성형부가 분리될 때 젤리롤을 잡아주게 되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 젤리롤을 지지해 주는 받침대는 프레스장치마다 설치되고, 프레스장치마다 설치되는 받침대는 하나의 캐리어 상부에 일정 간격으로 설치되며,
   상기 젤리롤의 양단이 가압된 후 가압성형부가 젤리롤에서 분리된 다음에는 캐리어가 이동하면서, 캐리어 상부에 설치된 받침대에 얹혀져 있는 젤리롤이 다음 프레스장치가 설치된 위치로 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 젤리롤이 반입되어 반출되는 방향으로 2∼4개 세트가 설치된 프레스장치는, 반출되는 쪽으로 갈수록 더 큰 압력으로 젤리롤을 가압하게 되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 가압성형부에서 어느 한 쪽의 가압성형부에만 지그가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지의 젤리롤 양단 압축 성형장치.

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