KR102068054B1 - 오염 방지용 필름을 포함하는 전극의 압연 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 일면에 전극 합제층이 도포되어 있는 전극 시트가 권취되어 있는 전극용 언와인더(un-winder), 전극용 언와인더와 동기화된 상태로 회전하며, 전극용 언와인더의 회전에 의해 취출되는 전극 시트를 권취하는 전극용 리와인더(re-winder), 상기 전극용 언와인더와 전극용 리와인더 사이에 위치하며 전극 시트를 압연하는 한 쌍의 압연 롤들, 전극 시트의 전극 합제층이 압연 롤에 직접 접촉되는 것을 막기 위하여 압연 과정에서 전극 합제층과 압연 롤 사이에 개재되는 오염 방지용 필름, 상기 오염 방지용 필름이 권취되어 있는 필름용 언와인더, 및 상기 필름용 언와인더와 동기화된 상태로 회전하며, 필름용 언와인더에 의해 취출되는 오염 방지용 필름을 권취하는 필름용 리와인더를 포함하는 전극 압연 장치를 제공한다.

Description

오염 방지용 필름을 포함하는 전극의 압연 장치 {Electrode Sheet Rolling Device Comprising Film for Prevention of Stain}
본 발명은 오염 방지용 필름을 포함하는 전극의 압연 장치에 대한 것이다.
리튬 이차전지는 모바일 기기의 에너지원뿐만 아니라, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.
이러한 리튬 이차전지의 제조 공정은 크게 전극 공정, 조립 공정, 화성 공정의 3단계로 구분된다. 상기 전극 공정은 다시 활물질 혼합 공정, 전극코팅 공정, 압연 공정, 슬리팅 공정, 권취 공정 등으로 구분된다.
이 중, 압연 공정은 전극 합제의 코팅 공정이 끝난 전극 시트의 두께를 축소시켜 용량 밀도를 높이고, 전극 집전체와 전극 합제에 포함된 전극 활물질 간의 접착성 및 밀착성을 증가시키기 위해, 고온 가열된 2개의 압연 롤러들 사이로 전극 시트를 통과시켜 원하는 두께와 밀도로 압축하는 공정이다.
이와 관련하여, 도 1에는 종래의 일반적인 전극 압연 장치의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극 압연 장치(100)는 전극 합제(도시하지 않음)가 코팅된 전극 시트(110)가 권취되어 있는 언와인더(101), 언와인더의 회전에 의해 취출되는 전극 시트(110)를 권취하는 리와인더(102), 전극 시트를 압연하는 한 쌍의 압연 롤들(103) 및 다수의 가이드롤들(104)로 이루어져 있다.
전극 압연 장치(100)는 전극 합제가 코팅된 전극 시트(110)가 압연 롤들(103) 사이를 통과할 때 전극 시트(110)와 압연 롤(103)의 직접적인 접촉이 이루어지기 때문에, 압연 롤에서 전극 합제 코팅층과 접하는 부분에는 전극 합제 코팅층이 묻어나게 된다. 이처럼, 오염된 압연 롤을 이용하여 전극 시트를 압연하는 경우, 전극 시트에 오염패턴이 전사되는 문제가 발생하고, 나아가서는, 압연 롤에 묻은 합제층의 잔여물에 의해 합제층이 뜯겨지는 현상이 발생할 수 있다.
이와 같은 문제점들을 방지하기 위하여, 오염된 압연 롤의 세척 과정이 필요하나, 코팅 공정 중에 압연 롤의 세척 공정을 실시하게 되면, 전체적인 생산 과정에 지연이 발생하며, 효율성이 떨어질 수 있다.
따라서, 전극 합제가 코팅된 전극 시트를 압연하는 과정에서 압연 롤의 오염을 방지할 수 있으면서 공정의 효율성을 떨어뜨리지 않는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전극 합제가 코팅된 전극시트가 압연 롤에 직접 접촉되는 것을 방지하기 위하여 전극 시트와 압연 롤 사이에 오염 방지용 필름을 개재한 상태로 압연 롤들 사이를 통과하는 경우, 합제 코팅층이 압연 롤들의 표면을 오염시키는 문제를 해결할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 압연 장치는, 적어도 일면에 전극 합제층이 도포되어 있는 전극 시트가 권취되어 있는 전극용 언와인더(un-winder), 전극용 언와인더와 동기화된 상태로 회전하며, 전극용 언와인더의 회전에 의해 취출되는 전극 시트를 권취하는 전극용 리와인더(re-winder), 상기 전극용 언와인더와 전극용 리와인더 사이에 위치하며 전극 시트를 압연하는 한 쌍의 압연 롤들, 전극 시트의 전극 합제층이 압연 롤에 직접 접촉되는 것을 막기 위하여 압연 과정에서 전극 합제층과 압연 롤 사이에 개재되는 오염 방지용 필름, 상기 오염 방지용 필름이 권취되어 있는 필름용 언와인더, 및 상기 필름용 언와인더와 동기화된 상태로 회전하며, 필름용 언와인더에 의해 취출되는 오염 방지용 필름을 권취하는 필름용 리와인더를 포함하고 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전극 압연 장치는, 전극 합제층이 도포되어 있는 전극 시트를 압연하는 압연 롤들의 오염을 방지하기 위하여, 오염 방지용 필름이 전극 시트와 압연 롤 사이에 개재된 상태로 압연 롤들을 통과하는 구조인 바, 압연 롤들과 전극 시트가 직접적으로 접촉하지 않기 때문에 압연 롤들이 오염되는 문제를 방지할 수 있다.
따라서, 전극 합제층에 의해 압연 롤들이 오염되고, 이로 인하여 전극 표면에 오염 패턴이 형성되거나, 전극이 뜯거지는 현상이 발생되었던 종래의 문제점들을 해결할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 오염 방지용 필름은 전극 시트와 압연 롤 사이에 개재된 상태로 압연 롤들 사이를 통과하는 구조일 수 있다.
이와 같이 전극 시트가 압연 롤들을 통과할 때만 오염 방지용 필름이 전극 시트와 압연 롤들 사이에 개재되는 구조이기 때문에, 전극 시트의 길이가 길어지더라도 오염 방지용 필름의 사용량은 증가시킬 필요가 없는 장점이 있다.
한편, 위와 같은 전극 압연 장치의 구조를 고려할 때, 언와인더들과 리와인더들의 위치는 압연 롤들의 위치를 기준으로 배치되는 것이 바람직한 바, 예를 들어, 상기 전극 시트와 오염 방지용 필름의 진행 방향을 기준으로, 전극용 언와인더 및 필름용 언와인더는 압연 롤들의 앞에 위치하고, 전극용 리와인더 및 필름용 리와인더는 압연 롤들의 뒤에 위치할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 오염 방지용 필름은 전극 시트가 압연 롤을 통과할 때 전극 시트 위에 도포된 전극 합제층 상에 위치해야 하는 바, 전극 합제층이 형성된 면의 상부에서 오염 방지용 필름의 이동이 이루어져야 한다. 따라서, 상기 필름용 언와인더의 회전축 및 필름용 리와인더의 회전축은, 압연 롤들에 대한 전극 시트 통과면을 기준으로 상측 또는 하측에 위치할 수 있다.
한편, 오염 방지용 필름이 전극 시트의 상면에 위치하는 구조라면, 오염 방지용 필름이 반드시 압연 롤러 통과시에만 전극 시트와 접하는 것으로 한정되지 않으며, 전극 시트가 압연 롤러들을 통과하기 이전 및/또는 통과 한 이후의 일정 부분에서도 전극 시트 상에 오염 방지용 필름이 위치하는 구성일 수 있다.
상기, 전극용 언와인더 및 전극용 리와인더의 위치 내지 높이는 공정의 간소화 및 효율성을 고려하여 적절하게 설정될 수 있는 바, 전극 시트의 안전한 이동을 위하여 상기 전극용 언와인더 및 전극용 리와인더 사이에는 하나 이상의 가이드 롤이 추가로 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 오염 방지용 필름은 압연 롤들의 오염을 방지하기 위한 목적으로 사용될 뿐이므로, 필름용 언와인더 및 필름용 리와인더 사이에 별도의 가이드 롤이 추가될 필요가 없다. 따라서, 필름용 언와인더 및 필름용 리와인더의 배치시 압연 롤과 전극 시트 간의 접촉을 방지하기 위한 구성인 점을 고려하면서, 간소화된 구조로 배치하는 경우, 상기 필름용 언와인더의 회전 방향은 필름용 리와인더의 회전 방향과 동일하도록 배치될 수 있다.
한편, 오염 방지용 필름은 압연 롤들에 전극 합제가 묻어나는 것을 방지하기 위한 구조인 바, 오염 방지용 필름의 개재로 인하여 전극 합제층의 물성 등에 영향을 주지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 전극 시트의 이동 속도와 오염 방지용 필름의 이동 속도가 다른 경우, 전극 합제층이 밀리거나, 전극 시트로부터 탈리하는 현상이 발생할 수 있는 바, 상기 전극 시트의 이동 속도와 오염 방지용 필름의 이동 속도는 서로 동일하게 설정될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 전극 시트와 압연 롤간의 접촉을 완전히 방지하기 위하여, 오염 방지용 필름의 폭은 전극 시트의 폭보다 상대적으로 넓은 것이 바람직하다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 압연 롤은 압연 롤들 사이를 통과하는 전극 시트에 압력을 인가하여 전지의 밀도를 증가하기 위한 구조인 바, 1회의 통과만으로 전체적인 전극 시트가 압연될 수 있는 것이 공정의 효율성을 고려할 때 바람직하다. 따라서, 상기 압연 롤의 폭은 전극 시트의 폭보다 상대적으로 넓은 범위에서, 오염 방지용 필름의 폭과 동일하거나 더 넓게 설정될 수 있다.
상기 오염 방지용 필름의 소재로는, 압연 과정이 지속되는 동안 오염 방지용 필름의 오염을 줄이고, 전극의 용량 감소를 방지하기 위하여 전극 합제층과 접촉시 합제층이 묻어나지 않는 소재라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate (PET)), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride (PVC)), 폴리프로필렌(polypropylene (PP)), 및 폴리카보네이트(polycarbonate (PC))로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
한편, 상기 오염 방지 필름의 표면을 매끄럽게 처리하는 경우, 오염 방지 필름 자체의 오염을 줄일 수 있을 것이다.
상기 오염 방지용 필름은, 오랜 압연 과정에서 지속적으로 사용되거나, 전극 합제의 종류가 달라짐에 따라 교체가 필요할 수 있는 바, 1회용으로 사용할 수 있는 종류뿐만 아니라, 세척 후 재사용이 가능한 종류도 포함될 수 있다. 따라서, 상기 오염 방지용 필름은 세척을 위하여 교체가 가능하나 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 합제층이 전극 시트의 양면에 각각 도포된 경우에는, 전극 시트 양면 각각에 형성된 전극 합제층과 압연 롤러와의 접촉을 방지해야 하는 바, 본 발명에 따른 전극 압연 장치는 전극 시트의 상면과 하면 상에 오염 방지용 필름들을 제공하기 위한 한 쌍의 필름용 언와인더들 및 한 쌍의 필름용 리와인더들을 포함하고 있는 구조로 이루어 질 수 있다.
본 발명은, 상기 전극 압연 장치를 사용하여 제조되는 전극, 및 상기 전극을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는, 모바일 디바이스, 웨어러블 디바이스, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 압연 장치는 전극 합제층 상에 오염 방지용 필름을 위치시킨 상태로 압연 롤들 사이를 통과하기 때문에, 전극 합제 코팅층으로 인한 압연 롤들의 표면 오염을 방지할 수 있다.
따라서, 오염된 압연 롤에 의해 전극 표면에 오염 패턴이 전사되는 문제를 해결할 수 있고, 오염 패턴으로 인한 전극 뜯김 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 전극 압연 장치의 측면 모식도이다;
도 2는 하나의 실시예에 따른 전극 압연 장치의 측면 모식도이다;
도 3은 다른 하나의 실시예에 따른 전극 압연 장치의 측면 모식도이다; 및
도 4는 도 2의 A-A'에 따른 단면을 B방향에서 바라본 모식도이다.
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 2 및 도 3은 본 발명에 따른 전극 압연 장치의 측면을 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 전극 압연 장치(200)는 전극 합제층(도시하지 않음)이 일면에 도포되어 있는 전극 시트(210)가 권취되어 있는 전극용 언와인더(201), 전극용 언와인더(201)와 동기화된 상태로 회전하며, 전극 시트를 권취하는 전극용 리와인더(202), 전극 시트(210)를 압연하는 한 쌍의 압연 롤들(203), 전극 시트(210)와 압연 롤들(203) 사이에 개재되는 오염 방지용 필름(220), 필름용 언와인더(221) 및 필름용 리와인더(222)로 이루어져 있고, 전극 시트(210)의 안전한 이동을 위하여 복수개의 가이드롤들이 추가적으로 포함되어 있다.
전극용 언와인더(201) 및 전극용 리와인더(202)의 회전 방향은 서로 반대 방향으로 도시되어 있으나, 안전하게 전극 시트(210)가 이동되는 경로로 설계되는 경우라면, 전극용 언와인더(201) 및 전극용 리와인더(202)의 회전 방향은 서로 동일하게 설정될 수도 있다.
압연 롤들(203)은 전극 시트의 이동 방향을 기준으로, 전극용 언와인더(201) 및 전극용 리와인더(202) 사이에 위치하며, 전극 시트(210)의 상면 및 하면의 동일한 위치 상에서 전극 시트(210)를 압연한다.
전극 합제층이 형성된 전극 시트(210)가 압연 롤들(203) 사이를 통과할 때, 압연 롤들(203)의 오염을 방지하기 위하여, 전극 시트(210)와 압연 롤들(203) 사이에는 오염 방지용 필름(220)이 개재된다.
도 2의 전극 시트(210)는 상면에만 전극 합제층이 형성되어 있는 바, 오염 방지용 필름(220) 및 필름용 언와인더(221)와 필름용 리와인더(222)는 전극 시트(210)가 압연 롤들(203)을 통과하는 면을 기준으로 상면에만 위치하고 있다.
구체적으로, 오염 방지용 필름의 사용량을 줄이기 위하여, 오염 방지용 필름은 암연 롤들(203)과 전극 시트(210)가 접하는 부분에만 사용되는 것이 바람직한 바, 필름용 언와인더(221)의 회전축 및 필름용 리와인더(222)의 회전축은 압연 롤들(203)에 대한 전극 시트(210) 통과면을 기준으로 상측에 위치한 상태에서, 필름용 언와인더(221)는 압연 롤들(203)의 앞에 위치하고, 필름용 리와인더(222)는 압연 롤들(203)의 뒤에 위치하고 있다.
필름용 언와인더(221) 및 필름용 리와인더(222)는 동일한 방향으로 회전하는 것으로 도시되어 있으나, 경우에 따라 회전 방향이 서로 상이하게 설정될 수 있음은 물론이다.
한편, 전극 합제가 도포된 전극 시트의 벗김을 방지하기 위하여 전극 시트는 오염 방지용 필름의 이동 속도와 동일한 속도로 이동한다.
도 3을 참조하면, 전극 압연 장치(300)는 전극 압연 장치(200)와 유사한 구조로 이루어져 있으나, 전극 시트(310)의 양면에 전극 합제층(도시하지 않음)이 형성된 경우로서, 전극 압연 장치(200)와 비교할 때, 한 쌍의 필름용 언와인더(323) 및 필름용 리와인더(324)가 추가적으로 포함된 구조이다.
구체적으로, 전극 압연 장치(300)는 전극용 언와인더(301), 전극용 리와인더(302), 전극 시트를 압연 하기 위한 압연 롤들(303), 전극 시트(310)의 상면 및 하면과 접하는 오염 방지용 필름(320), 전극 시트(310)의 상면 및 하면에 각각 위치하는 필름용 언와인더들(321, 323) 및 필름용 리와인더들(322, 324)로 이루어져 있고, 전극 시트(310)의 안전한 이동을 위하여 복수개의 가이드롤들이 추가적으로 포함되어 있다.
이와 같이, 전극 압연 장치(300)는 오염 방지용 필름(320)이 전극 시트(310)의 상면과 하면에 위치하는 바, 전극 시트의 양면에 형성된 전극 합제층들과 압연 롤들(303)과의 접촉을 완전히 차단하는 구조로 이루어져 있다.
도 4는 도 2의 전극 압연 장치를 A-A'에 따라 자른 단면을 B방향에서 바라본 구조를 모식적으로 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 전극 합제층(211)이 상면에 형성된 전극 시트(210)의 상부에는 오염 방지용 필름(220)이 위치하고, 전극 시트(210)의 상부 및 하부 각각에 위치하는 압연 롤들(203)은 화살표 방향으로 압력을 인가하여 전극 시트(210)의 압연이 이루어진다.
전극 합제층(211)은 전극 시트(210)의 폭(w1)과 동일한 폭으로 도포되어 있으나, 전지셀의 설계에 따라 합제층의 폭은 전극 시트 폭의 범위 내에서 달라질 수 있으며, 전극 합제에 대한 오염을 방지하기 위한 오염 방지용 필름(220)의 폭(w2)은 전극 시트(210)의 폭(w1)보다 넓게 형성되어 있고, 압연 롤들(203)의 폭(w3)은 오염 방지용 필름(220)의 폭(w2)보다 더 넓게 형성되어 있어, 압연 롤들(203)이 오염되는 것을 완벽하게 방지할 수 있을 뿐 아니라 전극 시트 전체에 대해 균등한 압력이 인가될 수 있도록 이루어져 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 적어도 일면에 전극 합제층이 도포되어 있는 전극 시트가 권취되어 있는 전극용 언와인더(un-winder);
    전극용 언와인더와 동기화된 상태로 회전하며, 전극용 언와인더의 회전에 의해 취출되는 전극 시트를 권취하는 전극용 리와인더(re-winder);
    상기 전극용 언와인더와 전극용 리와인더 사이에 위치하며 전극 시트를 압연하는 한 쌍의 압연 롤들;
    전극 시트의 전극 합제층이 압연 롤에 직접 접촉되는 것을 막기 위하여 압연 과정에서 전극 합제층과 압연 롤 사이에 개재되는 오염 방지용 필름;
    상기 오염 방지용 필름이 권취되어 있는 필름용 언와인더; 및
    상기 필름용 언와인더와 동기화된 상태로 회전하며, 필름용 언와인더에 의해 취출되는 오염 방지용 필름을 권취하는 필름용 리와인더;를 포함하고,
    상기 오염 방지용 필름은 전극 시트와 압연 롤 사이에 개재된 상태로 압연 롤들 사이를 통과하며,
    압연 롤들 사이를 통과할 시에만 전극 시트와 접촉하고,
    상기 전극 시트와 오염 방지용 필름의 진행 방향을 기준으로, 전극용 언와인더 및 필름용 언와인더는 압연 롤들의 앞에 위치하고, 전극용 리와인더 및 필름용 리와인더는 압연 롤들의 뒤에 위치하며,
    상기 오염 방지용 필름의 소재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate (PET)), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride (PVC)), 폴리프로필렌(polypropylene (PP)), 및 폴리카보네이트(polycarbonate (PC))로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 필름용 언와인더의 회전축 및 필름용 리와인더의 회전축은, 압연 롤들에 대한 전극 시트 통과면을 기준으로 상측 또는 하측에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극용 언와인더 및 전극용 리와인더 사이에는 하나 이상의 가이드 롤이 추가로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 필름용 언와인더의 회전 방향은 필름용 리와인더의 회전 방향과 동일한 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 시트의 이동 속도와 오염 방지용 필름의 이동 속도는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 오염 방지용 필름의 폭은 전극 시트의 폭보다 상대적으로 넓은 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 압연 롤의 폭은 전극 시트의 폭보다 상대적으로 넓은 범위에서, 오염 방지용 필름의 폭과 동일하거나 더 넓은 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
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  11. 제 1 항에 있어서, 상기 오염 방지용 필름은 세척을 위하여 교체가 가능한 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 합제층은 전극 시트의 양면에 각각 도포되어 있고, 전극 시트의 상면과 하면 상에 오염 방지용 필름들을 제공하기 위한 한 쌍의 필름용 언와인더들 및 한 쌍의 필름용 리와인더들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
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