KR102055719B1 - 전극 조립체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 자유 형상 배터리(Free-form battery) 및 그 내부 전극 조립체에 있어서 더 간단하고 효율적이며, 생산 비용 및 시간을 절약할 수 있는 전극 조립체에 및 이의 제조 방법에 관한 것입니다.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 자유 형상 배터리(Free-form battery) 및 그 내부 전극 조립체에 있어서 더 간단하고 효율적이며, 생산 비용 및 시간을 절약할 수 있는 전극 조립체에 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

Description

전극 조립체 및 이의 제조 방법{ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 자유 형상 배터리(Free-form battery) 및 그 내부 전극 조립체에 있어서 더 간단하고 효율적이며, 생산 비용 및 시간을 절약할 수 있는 전극 조립체에 및 이의 제조 방법에 관한 것입니다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
도 1은 종래 이차 전지의 일례를 도시하는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 이차 전지(1)는 전지 케이스(11)에 전극 조립체(13)가 내장되어 구성될 수 있다. 전지 케이스(11)의 내부에 장착되는 전극 조립체(13)는 양극/분리막/음극 등의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
전극 조립체(13) 내부의 복수 개의 전극에는 각각 전극 탭(15)에 연결되어 있고, 복수 개의 전극 탭(15)은 서로 용접 등에 의하여 접합되어 있다. 그리고 이러한 전극 탭의 접합체는 전극 리드(17)에 의하여 외부 기기와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 도 1에서 도시되듯이, 종래의 이차 전지(1)에서 전극 조립체(13)는 보통 직사각 형상으로 형성되었는데, 그 때문에 조금 다른 형상이 필요한 곳에서는 그 활용성이 떨어져 다양한 디자인의 전자 기기에 이용되기에 제약이 있었다. 그래서 다양한 형상의 전지, 즉 자유 형상 배터리(Free form battery)가 개발되고 사용되고 있다.
도 2는 다양한 형상의 전지, 즉, 자유 형상 배터리(free form battery)의 일례를 도시하는 사시도이다. 도 2에서는 일부분이 단차지도록 외측이 만입된 만입부(20)가 형성되는 이차 전지(10)가 도시되고 있다.
그런데 이러한 자유 형상 배터리에서는 내부의 전극 조립체 역시 만입부(20)의 형상에 대응하도록 그 형상을 구현할 필요가 있어 문제된다. 그리고 그 구현 방법에 있어서도 좀 더 간단하고 효율적이며, 생산 비용 및 시간을 절약할 수 있는 제조 방안이 필요하여 문제된다.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 자유 형상 배터리(Free-form battery) 및 그 내부 전극 조립체에 있어서 더 간단하고 효율적이며, 생산 비용 및 시간을 절약할 수 있는 전극 조립체에 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성되며, 복수 개로 구비되는 단위셀, 및 단위셀이 부착되며, 단위셀이 적층되도록 폴딩된 형태를 가지는 분리막 시트를 포함하고, 복수 개의 단위셀 중 적어도 어느 하나에 만입된 형상의 리세스(recess) 홈이 형성되며, 리세스 홈이 모여 리세스부가 형성되고, 리세스부에 위치되는 분리막 시트는 리세스부의 형상에 대응되도록 연신되어 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체 제조방법은 전극과 분리막이 적층되어 형성되는 단위셀을 복수 개 마련하여 분리막 시트에 부착하는 단계, 단위셀이 적층되도록 분리막 시트를 폴딩함에 따라, 복수 개의 단위셀 중 적어도 어느 하나에 형성된 만입된 형상의 리세스(recess) 홈이 모여 리세스부가 형성되는 단계, 및 리세스부에 위치하는 분리막 시트를 리세스부의 형상에 대응되도록 연신하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 전극 조립체 및 이의 제조 방법은 단위셀, 및 단위셀이 부착되며, 단위셀이 적층되도록 폴딩된 형태를 가지는 분리막 시트를 포함하고, 복수 개의 단위셀 중 적어도 어느 하나에 리세스 홈이 형성되며, 리세스 홈이 모여 리세스부가 형성되고, 리세스부에 위치되는 분리막 시트는 리세스부의 형상에 대응되도록 연신됨에 따라 따로 분리막 절단 공정을 포함하지 않아, 자유 형상 배터리(Free-form battery) 및 그 내부 전극 조립체에 있어서 더 간단하고 효율적이며, 생산 비용 및 시간을 절약할 수 있다.
도 1은 종래 이차 전지의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 2는 다양한 형상의 전지, 즉, 자유 형상 배터리(free form battery)의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 조립되기 전 전개된 상태를 도시하는 전개도이다.
도 4는 도 3에서의 분리막 시트를 폴딩한 상태의 전극 조립체를 도시하는 사시도이다.
도 5는 도 4의 전극 조립체를 V방향에서 바라본 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 도시하는 사시도이다.
도 7은 도 6의 전극 조립체를 V방향에서 바라본 정면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 조립되기 전 전개된 상태를 도시하는 전개도이다. 도 4는 도 3에서의 분리막 시트를 폴딩한 상태의 전극 조립체를 도시하는 사시도이다. 도 5는 도 4의 전극 조립체를 V방향에서 바라본 정면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 도시하는 사시도이다. 도 7은 도 6의 전극 조립체를 V방향에서 바라본 정면도이다.
이하에서는 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 및 그 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 제조하는 방법에 대해서 순서대로 설명해 나가고 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 특징에 대해서도 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 복수 개의 단위셀(110)과 이러한 복수 개의 단위셀(110)이 부착되는 길이방향으로 긴 형태의 분리막 시트(130)를 포함한다.
단위셀(110)은 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성된다. 특히 본 발명에서 단위셀(110)은 바이셀(bi-cell) 또는 모노셀(mono-cell)일 수 있다.
바이셀에 대해 설명하면, 바이셀이란 최외각 전극 두 개가 서로 같은 극성인 것을 말한다. 예를 들면 양극/분리막/음극/분리막/양극의 순서로 적층된 단위셀(110)의 경우 최외각 전극 두 개가 모두 양극이므로 바이셀이 된다. 특히 최외각 전극 두 개가 모두 양극인 경우를 A타입 바이셀이라고 한다.
또 다른 예로 음극/분리막/양극/분리막/음극 순서로 적층된 단위셀(110)의 경우 최외각 전극 두 개가 모두 음극으로 같은 극성이므로 역시 바이셀이 된다. 특히 최외각 전극 두 개가 모두 음극인 경우를 C타입 바이셀이라고 한다.
다음으로 모노셀에 대해서 설명한다. 최 외각 전극 두 개가 서로 다른 극성인 것을 의미한다. 일례로 양극/분리막/음극의 순서로 적층된 단위셀(110)의 경우 최외각 전극 두 개가 양극과 음극으로 서로 다르므로 모노셀이 된다.
이러한 바이셀 또는 모노셀의 단위셀(110)은 전극과 분리막을 순차로 적층하는 방법에 의하여 제조될 수 있다. 이때, 전극과 분리막은 서로 접착되어 있을 수 있는데 이는 열과 압력에 의한 접착일 수 있다. 일례로 전극과 분리막의 접합은 라미네이션에 의한 접합일 수 있다.
이러한 방식으로 마련된 단위셀(110)은 도 3에서 도시되는 분리막 시트(130)에 분리막 시트(130)의 길이 방향으로 복수 개의 나란히 배열될 수 있다. 그리고 이 단위셀(110)들은 분리막 시트(130)에 부착되어 있을 수 있다. 단위셀(110)들이 분리막 시트(130)에 부착되어 있는 경우 분리막 시트(130) 폴딩(folding) 시 더욱 안정적일 수 있다.
도시의 편의를 위하여, 도 3의 분리막 시트(130)에 배열된 단위셀(110)과 단위셀(110) 간의 간격은 실제 간격과는 다르게 과장되게 좁혀져 도시되고 있다
한편, 분리막 시트(130)에 부착된 복수 개의 단위셀(110) 중 적어도 어느 하나에는 만입된 형상의 리세스(recess) 홈(150)이 형성되어 있다.
도 3에서 도시되듯이, 특정 위치의 단위셀(110)에는 만입된 형상의 리세스(recess) 홈(150)이 형성되어 있다. 리세스 홈(150)은 단위셀(110)의 일측변에서 내측으로 함몰된 형상으로 형성될 수 있다. 도 3에서 도시되는 단위셀(110)에서는 하측변에서 상측으로 함몰된 사각형 형상의 리세스 홈(150)이 도시되고 있다. 도 3에서는 왼쪽에서 두 번째, 네 번째, 및 여섯 번째의 단위셀(110)에 리세스 홈(150)이 형성되어 있다.
그리고 단위셀(110)은 외측 방향으로 연장하는 전극 탭(115)을 구비할 수 있다. 이때, 리세스 홈(150)은 단위셀(110)에서 전극 탭(115)이 형성된 변의 반대측 변에 마련될 수 있다. 이렇게 리세스 홈(150)이 전극 탭(115)의 반대방향에 구비됨으로써 공간 활용도가 현저히 높아질 수 있다.
그 이유는 전극 탭(115)에는 외부 전자 기기가 연결될 수 있고, 리세스 홈(150)에 의한 공간에는 또 다른 디바이스가 적용될 수 있으므로, 외부 전자 기기 및 또 다른 디바이스가 서로 공간 제약 및 간섭을 받지 않을 수 있으며, 그에 따라 제한된 공간 내에서 기기들이 충분히 활용될 수 있기 때문이다.
단위셀(110)을 복수 개 마련하여 분리막 시트(130)에 부착하는 단계를 마친 이후에는 분리막 시트(130)를 도 3에서 도시되는 것처럼 일방향(I)으로 폴딩한다. 즉, 분리막 시트(130)는 일방향(I)으로 감겨지고 그에 따라 단위셀(110)이 적층된 형태를 가질 수 있다. 도 4에서는 이렇게 분리막 시트(130)를 폴딩하여 형성되는 전극 조립체(100)가 도시되고 있다. 또 도 5는 도 4의 V방향에서 본 전극 조립체(100)의 정면도이다.
이러한 분리막 시트(130)를 사용하여 폴딩하는 방식은 스택 앤 폴딩형의 전극 조립체에서 당업자가 용이하게 구현할 수 있는 형태이므로 본 명세서에서 추가적인 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 폴딩하였을 때, 최초 폴딩의 시초가 되는 단위셀(110)(S)은 도 4의 전극 조립체(100)에서 가장 가운데 층에 배치될 수 있고, 폴딩의 마지막 단계에 있는 단위셀(110)(F)은 도 4의 전극 조립체(100)에서 가장 위층에 배치될 수 있다.
분리막 시트(130)의 폴딩에 의하여 복수 개의 단위셀(110)은 아래에서 위 방향으로 적층된 형태를 가질 수 있다. 특히 단위셀(110) 중에서 리세스 홈(150)이 형성되어 있는 세 개의 단위셀(110)은 도 4에서 도시되듯이 가장 위에서부터 아래로 순서대로 세 개가 배치될 수 있다.
이때, 세 개의 리세스 홈(150)이 모이면, 전극 조립체(100)에서 규모가 커진 만입된 형태의 리세스부(170)가 형성될 수 있다. 이해의 편의를 위해 리세스부(170)는 도 4에서 점선으로 표시되고 있다.
분리막 시트(130)를 폴딩함에 따라, 리세스(recess) 홈이 모여 리세스부(170)가 형성되는 단계를 수행한 후에, 도 6 및 도 7에서 도시되는 것과 같이 리세스부(170)에 위치하는 분리막 시트(131)를 리세스부(170)의 형상에 대응되도록 연신하는 단계를 수행할 수 있다. 가압 지그 등을 이용하여 분리막 시트(130)를 P방향으로 가압함에 따라, 분리막 시트(130)는 리세스부(170)의 형상에 대응되도록 연신될 수 있다(도 4 및 도 6 참조). 가압은 가열된 지그에 의하여 수행될 수 있다. 가열된 지그를 이용할 경우 분리막의 연신이 더욱 수월하게 이루어질 수 있다.
참고로, 도면상에서는 도시되고 있지 않지만, 리세스 홈(150) 부분에 단위셀(110) 내의 분리막이 존재할 수도 있다. 단위셀(110)은 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성되는 것이기 때문에 전극에만 리세스 홈이 형성된 경우라면, 리세스 홈(150) 부분에는 분리막이 존재하게 되는 것이다.
그런데 이러한 경우에 있어서도, 분리막 시트(130)가 P방향으로 가압되어 리세스부(170)의 형상에 대응되도록 연신되면, 단위셀(110) 내의 분리막 역시 P방향으로 가압되어 리세스부(170)의 형상에 대응되도록 연신될 것이다. 따라서 이 경우는 분리막 시트(130) 및 단위셀(110) 내의 분리막이 모두 리세스부(170)의 형상에 대응되도록 연신된다.
분리막 시트(130)의 연신의 결과 도 6 및 도 7에서 도시되듯이, 리세스부(170)에 위치되는 분리막 시트(130)는 리세스부(170)의 형상에 대응되도록 연신되어 있다. 이러한 방식으로 형성된 리세스부(170)의 공간에는 유심칩(USIM chip) 또는 지문 인식 키트(kit) 등 작은 사이즈의 공간을 요구하는 디바이스(device) 등이 적용될 수 있다. 이러한 방식으로 리세스부(170)는 다양한 형상의 전지를 요구하는 현대의 첨단 전자기기 기술에 부합될 수 있다.
상기에서 설명된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 분리막 시트(130)를 커팅하는 공정이 없이 전극 조립체(100)를 제조할 수 있다. 그리고 그에 따라 전극 조립체(100)의 제조 단계 수, 제조 시간, 및 제조 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.
구체적으로 설명한다. 본 발명의 실시예와 달리 분리막 절단 공정을 수행하는 경우를 고려해 본다면, 분리막을 절단하는 분리막 커팅 공정(Separator Shape Cutting, 이하 SSC 공정)은 두 가지 경우에 있어서 수행될 수 있다. 즉, a) 단위셀(110) 라미네이션 단계와 b)분리막 시트(130) 폴딩(folding) 직전 단계에서 SSC 공정이 수행될 수 있다.
a) 단위셀(110)을 만드는 라미네이션 공정에서 리세스 홈(150) 부분에 있는 단위셀(110) 내 분리막을 SSC 공정에 의하여 미리 커팅할 수 있다. 이러한 경우 분리막 절단이라는 공정이 추가되는 것이므로 공정 절차가 그 만큼 하나 더 늘어나는 것이고 그에 따라 전극 조립체(100) 생산 비용도 증가하게 된다.
다음 b) 분리막 시트(130) 폴딩 직전 단계 시(unfolded cell 상태 시), 단위셀(110)의 리세스 홈(150) 부분에 대응하는 분리막 시트(130)를 절단하는 SSC 공정을 수행할 수 있다. 이러한 경우 절단 공정이 하나 더 추가됨에 따른 손실이 발생하는 것은 물론이고, 심지어 생산 라인 자체를 개조하여야 하므로 전극 조립체(100)의 생산 비용이 더욱 많이 소요될 수 있다.
이에 반하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100) 및 이의 제조 방법은 리세스부에 위치되는 분리막 시트(131)가 리세스부(170)의 형상에 대응되도록 연신됨에 따라 따로 분리막 절단 공정을 포함하지 않는다. 그에 따라, 더 간단하고 효율적으로 전극 조립체를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 생산 비용 및 시간을 효과적으로 절약할 수 있다.
참고로 전극 조립체가 제작된 후 전극 조립체는 전지 케이스 또는 파우치에 수용되고 이후 디개싱(degasing) 공정을 거치게 된다. 디개싱 공정은 파우치 내에 있는 가스를 밖으로 빼주는 공정을 의미한다. 디개싱 공정 중에 디개싱(degasing)-핫 프레스(hot press) 단계를 거친다. 특히 핫 프레스 단계는 가열하며 전지를 전체적으로 한번 눌러주는 단계를 의미한다. 이때 리세스부는 리세스부의 모양에 맞는 지그로 눌려질 수 있다.
이러한 디개싱(degasing)-핫 프레스(hot press) 단계는 분리막 절단 공정(SSC 공정)을 진행하는 경우에도 어차피 거쳐야 하는 단계이다. 따라서 본 발명에서 리세스부에 위치하는 분리막 시트를 리세스부의 형상에 대응되도록 연신하는 단계는 추가적으로 비용이 들거나 새로운 시설이 필요한 공정이 아닐 수 있다. 그에 따라 본 발명이 전극 조립체의 생산 비용 및 시간을 절약할 수 있는 방법이 될 수 있는 것이다.
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.
100: 전극 조립체
110: 단위셀
115: 전극 탭
130: 분리막 시트
131: 리세스부에 위치하는 분리막 시트
150: 리세스 홈
170: 리세스부
I: 일방향

Claims (7)

  1. 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성되며, 복수 개로 구비되는 단위셀; 및
    상기 단위셀이 부착되며, 상기 단위셀이 적층되도록 폴딩된 형태를 가지는 분리막 시트를 포함하고,
    상기 복수 개의 단위셀 중 적어도 어느 하나에 만입된 형상의 리세스(recess) 홈이 형성되며,
    상기 리세스 홈이 모여 리세스부가 형성되고,
    상기 리세스부에 위치되는 상기 분리막 시트는 상기 리세스부의 형상에 대응되도록 연신되어 있으며,
    상기 리세스 홈은 상기 단위셀의 일측변에서 내측으로 함몰된 형상을 가지고,
    상기 리세스 홈은 사각형 모양으로 만입되며,
    상기 단위셀은 외측 방향으로 연장하는 전극 탭을 구비하고,
    상기 리세스 홈은 상기 단위셀에서 상기 전극 탭이 형성된 변의 반대측 변에 마련되며,
    상기 단위셀은 상기 분리막 시트에 상기 분리막 시트의 길이 방향을 따라 복수 개로 나란히 배열되어 폴딩되고,
    상기 리세스 홈은 상기 분리막 시트의 길이 방향에 대하여 수직방향을 기준으로 상기 단위셀의 일측변에 위치되고,
    상기 전극 탭은 상기 분리막 시트의 길이 방향에 대하여 수직방향을 기준으로 상기 단위셀의 타측변에 위치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 전극과 분리막이 적층되어 형성되고, 외측 방향으로 연장하는 전극 탭이 구비된 단위셀을 복수 개 마련하여 분리막 시트의 길이 방향으로 복수 개로 나란히 배열하여 상기 분리막 시트에 부착하는 단계;
    상기 단위셀이 적층되도록 상기 분리막 시트를 상기 분리막 시트의 길이 방향으로 폴딩함에 따라, 상기 복수 개의 단위셀 중 적어도 어느 하나에 형성된 만입된 형상의 리세스(recess) 홈이 모여 리세스부가 형성되는 단계; 및
    상기 리세스부에 위치하는 상기 분리막 시트를 상기 리세스부의 형상에 대응되도록 연신하는 단계를 포함하고,
    상기 리세스 홈은 상기 단위셀에서 상기 전극 탭이 형성된 변의 반대측 변에 위치되되 상기 단위셀의 일측변에서 내측으로 함몰된 사각형 형상으로 형성되고,
    상기 단위셀을 상기 분리막 시트에 부착하는 단계에서, 상기 리세스 홈은 상기 분리막 시트의 길이 방향에 대하여 수직방향을 기준으로 상기 단위셀의 일측변에 위치되고, 상기 전극 탭은 상기 분리막 시트의 길이 방향에 대하여 수직방향을 기준으로 상기 단위셀의 타측변에 위치되도록 부착시키는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리막 시트는 가압에 의하여 연신되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가압은 가열된 지그에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
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