KR102080256B1 - 전극조립체 제조 장치 및 그 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 충격에 의한 이차 전지 내부의 쇼트를 방지할 수 있는 전극조립체 제조 장치 및 그 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 권출하여 이송하는 이송부, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막, 제1 전극의 순서로 적층 되도록 상기 이송부로부터 전달받은 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 적층하여 전극적층체를 형성하는 적층부 및 상기 전극적층체에서 이웃하는 적어도 두 개의 상기 분리막의 단부를 서로 합착하는 합착부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전극조립체 제조 장치 및 그 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법{APPARATUS OF MANUFACTURING ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD OF MANUFACTURING ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME}

본 발명은 전극조립체 제조 장치 및 그 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 외부 충격에 의한 이차 전지 내부의 쇼트를 방지할 수 있는 전극조립체 제조 장치 및 그 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극 조립체를 적층하거나 권취시킨 상태로 전해질이 함침된 상태로 케이스에 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.

이차전지의 전극 조립체는 전극 조립체를 개재한 상태로 둥글게 권취한 젤리-롤형(jelly-roll type)과 일정한 단위 크기의 집전체 호일 양면에 전극 활물질을 도포한 다수의 양극과 음극을 분리막을 개재한 생태로 순차적으로 적층한 스택형(stack-type)으로 구분된다.

젤리-롤형 전극 조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 요구하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다.

이러한 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 바람직하게 사용될 수 있지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는, 국부적으로 응력이 집중되어 전극 활물질이 박리되거나 충방전 과정에서 반복되는 수축 및 팽창 현상에 의해 전지의 변형을 유발하는 문제점이 있다.

반면 스택형 전극 조립체는 다수의 양극 및 음극 단위 셀들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택 앤 폴딩형 전극 조립체가 개발되었고, 이는 종래의 한국 특허출원공개 제2001-82058호에 개시되어 있다.

종래의 바이셀 형 전극 조립체는 음극 전극과 분리막 사이의 갭(gap)을 일정한 간격으로 유지하지 않으면 분리막 합착 시 전극에 손상이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 낙하 등과 같은 외부 충격 시 분리막 사이의 전극이 외부로 튀어나와 이차전지 내부의 쇼트를 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 외부 충격에 의한 이차전지 내부의 쇼트를 방지하고 이차전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 전극조립체 제조 장치 및 그 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 제조 장치는 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 권출하여 이송하는 이송부, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막, 제1 전극의 순서로 적층 되도록 상기 이송부로부터 전달받은 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 적층하여 전극적층체를 형성하는 적층부 및 상기 전극적층체에서 이웃하는 적어도 두 개의 상기 분리막의 단부를 서로 합착하는 합착부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 합착부는 회전하며 상기 분리막을 가압하는 롤러이며, 상기 롤러는 상기 전극적층체의 진행 방향과 역방향으로 회전할 수 있다.

상기 롤러의 표면은 양각 또는 음각이 형성될 수 있다.

상기 합착부는 발열할 수 있는 열선이 내장되고, 복수 개의 상기 분리막의 단부을 가열 압착할 수 있다.

상기 합착부는 한 쌍의 롤러로 형성되고, 복수 개의 상기 분리막의 단부는 상기 한 쌍의 롤러 사이에서 상호 마주보는 방향으로 합착될 수 있다.

상기 제2 전극은 복수 개의 상기 분리막 사이에 형성되고, 상기 제2 전극은 상기 합착부에 의해 단부가 서로 합착된 복수 개의 상기 분리막에 의해 고정될 수 있다.

상기 전극적층체에서 복수 개의 상기 분리막은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 비해 크기가 커서 단부가 상기 전극적층체의 측면으로 돌출되며, 상기 합착부의 단부는 상기 전극적층체의 측면으로 돌출된 복수 개의 상기 분리막의 단부와 대응되게 위치할 수 있다.

상기 합착부는 마주보는 방향으로 압착되는 한 쌍의 프레스 판으로 형성되고, 복수 개의 상기 분리막의 단부는 상기 한 쌍의 프레스 판 사이에 위치할 시 상기 한 쌍의 프레스 판에 의해 서로 마주보는 방향으로 합착될 수 있다.

상기 한 쌍의 프레스 판은 표면에 양각 또는 음각이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법은 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 권출하여 이송하는 이송 단계, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막, 제1 전극의 순서로 적층 되도록 상기 이송 단계에서 이송된 상기 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 적층하는 적층 단계 및 상기 전극 단계 이후 이웃하는 적어도 두 개의 상기 분리막의 단부를 서로 합착하는 합착 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 합착 단계는 이웃하는 적어도 두 개의 상기 분리막의 단부를 서로 가열 압착할 수 있다.

상기 합착 단계는 한 쌍의 롤러 또는 한 쌍의 프레스 판을 사용하여 이웃하는 적어도 두 개의 상기 분리막의 단부를 상호 마주보는 방향으로 합착할 수 있다.

상기 합착 단계는 이웃하는 적어도 두 개의 상기 분리막의 단부를 서로 합착하여 상기 분리막 사이에 위치한 제2 전극을 고정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이차전지의 낙하 등과 같은 외부 충격에도 내부의 쇼트를 방지하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 이차전지 제조 공정에 적용이 쉽고 추가 공정이 복잡하지 않은 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 양극과 음극의 접촉을 방지하여 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전극조립체 제조 장치를 측면에서 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극적층체가 합착부를 향해 이송되는 것을 일부 확대하여 평면에서 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 합착부에 의해 분리막의 단부가 합착되는 것을 일부 확대하여 측면에서 도시한 사용상태도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 합착부를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 합착부를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극조립체 제조 장치 및 그 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.

도 1은 본 발명의 전극조립체 제조 장치를 측면에서 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 제조 장치는 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)을 권출하여 이송하는 이송부(1), 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30), 분리막(20), 제1 전극(10)의 순서로 적층 되도록 상기 이송부로부터 전달받은 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)을 적층하여 전극적층체(100)를 형성하는 적층부(3) 및 상기 전극적층체(100)에서 이웃하는 적어도 두 개의 상기 분리막(20)의 단부(21)를 서로 합착하는 합착부(5)를 포함한다.

이송부(1)는 각각의 권취된 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)으로부터 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)을 권출하여 합착부(5) 방향으로 이송시키기 위한 것이다.

이송부(1)는 이송롤러 또는 컨베이어벨트 등 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.

적층부(3)는 이송부(1)에 의해 이송되는 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)을 적층시키기 위한 것이다.

적층부(3)는 제1 전극(10)과 제2 전극(30)을 분리막(20)에 의해 분리되도록 적층할 수 있는데, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30), 분리막(20), 제1 전극(10)이 순서대로 적층되어 최외각 양측에 동일한 전극이 위치하는 바이셀(bycell) 형상을 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 전극적층체(100)는 제1 전극(10)과 제2 전극(30)이 분리막(20)에 의해 분리되도록 적층된다면 그 형상 또는 제1 전극(10)과 제2 전극(30)과 분리막(20)의 적층 횟수는 한정되지 않을 수 있다.

적층부(3)는 전극적층체(100)를 적층하기 위해 열 또는 압력 등 중 어느 하나 이상을 사용하여 적층할 수 있다.

그리고 전극적층체(100)를 형성하는 제1 전극(10)과 제2 전극(30)은 서로 상극을 형성하도록 양극 활물질이 도포된 양극 내지 음극 활물질이 도포된 음극 중 어느 하나일 수 있다.

즉, 제1 전극(10)이 양극을 형성하면, 제2 전극(30)은 음극을 형성하고 제1 전극(10)이 음극을 형성하면, 제2 전극(30)은 양극을 형성할 수 있다.

양극은 일반적으로 알루미늄 판일 수 있으며, 양극 활물질은 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂, LiMnO₄와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물일 수 있다.

음극은 일반적으로 구리 판일 수 있으며, 음극 활물질은, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등일 수 있다.

분리막(20)은 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기재에 폴리비닐리덴 플로우라이드-헥사플로로프로필렌 공중합체(PVDF-HFP co-polymer)를 코팅함으로써 제조될 수 있다.

전극적층체(100)가 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30), 분리막(20), 제1 전극(10)을 형성하면, 한 쌍의 분리막(20) 사이에는 양극 또는 음극 중 어느 하나가 위치할 수 있다.

적층부(3)는 이송부(1)에서 전극(10, 20), 분리막(20)을 배출하는 배출구 측에 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 적층부(3)는 종래의 전극조립체 제조 공정에서 전극조립체를 이송하는 공정의 끝부분에 설치하는 것으로 구현이 가능할 수 있어 구현이 쉽다는 장점이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극적층체가 합착부(5)를 향해 이송되는 것을 일부 확대하여 평면에서 도시한 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 분리막(20)은 제1 전극(10)과 제2 전극(30) 사이의 단락을 방지하기 위해 제1 전극(10) 및 제2 전극(30)에 비해 크기가 크게 형성될 수 있다.

따라서 전극적층체(100)에서 분리막(20)의 단부(21)는 전극적층체(100)의 측면으로 돌출되게 형성될 수 있다.

그리고 합착부(5)는 이송되는 전극적층체(100)에서 분리막(20)의 단부(21)에 해당하는 위치에 배치될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 합착부에 분리막의 단부가 합착되는 것을 일부 확대하여 측면에서 도시한 사용상태도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 제조 장치는 합착부(5)가 전극적층체(100)의 이송하는 방향(d1)과 역방향(d2)으로 회전하며 분리막(20)의 단부(21)를 가압하는 한 쌍의 롤러를 형성할 수 있다.

그리고 합착부(5)를 형성하는 한 쌍의 롤러는 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)를 서로 마주보는 방향으로 합착할 수 있다.

또한, 합착부(5)를 형성하는 한 쌍의 롤러는 열선이 내장되어 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)를 서로 마주보는 방향으로 가열하며 압착함에 따라 합착 효과를 증가시킬 수 있다.

이와 같이 복수 개의 분리막(20) 단부(21)가 합착되면 복수 개의 분리막(20) 사이에 적층된 제2 전극(30)은 분리막(20) 사이에서 고정되어 2차 전지가 낙하 등과 같은 외부 충격을 받아도 제1 전극(10)과 제2 전극(30)이 단락되지 않도록 방지할 수 있다.

즉, 제2 전극(30)이 양측면에 적층된 분리막(20)에 의해 고정되어 제1 전극(10)과 제2 전극(30)이 서로 단락되지 않기 때문에 2차 전지의 안정성이 향상될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 합착부를 개략적으로 도시한 측면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따라 합착부(5a)는 롤러의 표면에 양각 또는 음각이 형성될 수 있다.

롤러의 표면에 양각 또는 음각이 형성되면 한 쌍의 롤러의 사이에서 압착되는 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)의 합착력을 높일 수 있다.

한편, 한 쌍의 롤러에 형성된 양각 또는 음각이 마주보는 한 쌍의 롤러 사이에 교차되게 형성된다면 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)의 합착률을 더욱 높일 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 합착부를 개략적으로 도시한 측면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 합착부(5b)는 마주보는 방향으로 압착되는 한 쌍의 프레스 판으로 형성될 수 있다.

그리고 전극적층체(100)가 한 쌍의 프레스 판 사이로 이동할 시 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)가 서로 마주보는 방향으로 왕복 이동(d3)하는 한 쌍의 프레스 판의 사이에서 압착되어 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)를 서로 합착할 수 있다.

또한, 한 쌍의 프레스 판은 열선이 내장되어 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)을 가열하며 압착할 수 있다.

또한, 한 쌍의 프레스 판은 서로 마주보는 방향으로 음각 또는 양각이 형성되어 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)를 서로 압착하여 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)가 합착되는 합착력을 높일 수 있다.

또한, 한 쌍의 프레스 판은 서로 마주보는 방향으로 형성된 음각 또는 양각이 서로 교차되게 형성되어 합착되는 복수 개의 분리막(20)의 단부(21)의 합착력을 더욱 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법은 이송 단계(S1), 적층 단계(S2) 및 합착 단계(S3)를 포함한다.

이송 단계(S1)는 도 1에 도시된 바와 같이 권취된 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)을 권출하여 합착부(5) 방향으로 이송하는 단계이다.

적층 단계(S2)는 이송되는 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)을 제1 전극(10)과 제2 전극(30)이 분리막(20)에 의해 분리되도록 적층하여 전극적층체(100)를 형성하는 단계이다.

이때, 적층 단계(S2)는 전극적층체(100)를 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30), 분리막(20), 제1 전극(10)의 순서로 적층되도록 할 수 있다.

합착 단계(S3)는 적층 단계(S2) 이후 이웃하는 적어도 두 개의 분리막(20)의 단부(21)를 서로 합착하는 단계이다.

그리고 합착 단계(S3)는 이웃하는 적어도 두 개의 분리막(20)의 단부(21)를 서로 합착하여 분리막(20) 사이에 위치한 제2 전극(30)이 고정되도록 한 쌍의 롤러 또는 한 쌍의 프레스 판을 사용하여 이웃하는 적어도 두 개의 분리막(20)의 단부(21)를 가열 압착하여 합착시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 이차전지의 낙하 등과 같은 외부 충격에도 내부의 쇼트를 방지하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 기존의 이차전지 제조 공정에 적용이 쉽고 추가 공정이 복잡하지 않은 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 양극과 음극의 접촉을 방지하여 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치 및 그 전극조립체 제조 장치에 의한 전극조립체 제조 방법을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 실시가 가능하다.

1: 이송부
3: 적층부
5, 5a, 5b: 합착부
10: 제1 전극
20: 분리막
21: 단부
30: 제2 전극
100: 전극적층체

Claims (13)

1. 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)을 권출하여 이송하는 이송부(1);
   제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30), 분리막(20), 제1 전극(10)의 순서로 적층 되도록 상기 이송부로부터 전달받은 제1 전극(10), 분리막(20), 제2 전극(30)을 적층하여 전극적층체(100)를 형성하는 적층부(3); 및
   상기 전극적층체(100)에서 이웃하는 적어도 두 개의 상기 분리막(20)의 단부(21)를 서로 합착하는 합착부(5); 를 포함하고,
   상기 합착부(5)는 회전하며 상기 분리막(20)을 가압하는 롤러이며,
   상기 롤러는 상기 전극적층체(100)의 진행 방향과 역방향으로 회전하고,
   롤러의 표면은 양각 또는 음각이 형성되며, 상기 합착부(5)는 한 쌍의 롤러로 형성되어, 상기 한 쌍의 롤러에 형성된 양각 또는 음각이 마주보는 상기 한 쌍의 롤러 사이에 교차되게 형성되고,
   상기 전극적층체(100)에서 복수 개의 상기 분리막(20)은 상기 제1 전극(10) 및 상기 제2 전극(30)에 비해 크기가 커서 단부(21)가 상기 전극적층체(100)의 측면으로 돌출되며,
   상기 합착부(5)의 단부는 상기 전극적층체(100)의 측면으로 돌출된 복수 개의 상기 분리막(20)의 단부(21)와 대응되게 위치하고,
   복수 개의 상기 분리막(20)의 단부(21)는 상기 한 쌍의 롤러 사이에서 상호 마주보는 방향으로 합착되며,
   상기 제2 전극(30)은 복수 개의 상기 분리막(20) 사이에 형성되고, 상기 제2 전극(30)은 상기 합착부(5)에 의해 단부(21)가 서로 합착된 복수 개의 상기 분리막(20)에 의해 고정되며,
   상기 합착부(5)를 형성하는 상기 한 쌍의 롤러는 발열할 수 있는 열선이 내장되고, 복수 개의 상기 분리막(20)의 단부(21)을 가열 압착하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
   
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