KR102260831B1 - 전극 권취용 맨드렐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스웰링 시에 극판의 변형을 최소화하고 전극 어셈블리의 두께를 균일화할 수 있는 맨드렐을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 전극을 권취하는 맨드렐(mandrel)에 있어서, 상기 맨드렐은 제1 권취릴 상기 제1 권취릴에서 간극을 두고 배치된 제2 권취릴을 포함하고, 상기 제1 권취릴은 상기 제2 권취릴과 마주하는 간극면과 상기 간극면에서 이어진 제1 전면과 제2 전면, 및 상기 제1 전면과 상기 제2 전면을 연결하는 제1 경사면과 제2 경사면을 포함하고, 상기 제1 경사면은 상기 제2 경사면보다 더 길게 형성된다.

Description

전극 권취용 맨드렐{MANDREL FOR WINDING ELECTRODE}
본 발명은 이차 전지의 전극을 권취하기 위한 맨드렐에 관한 것이다.
최근 IT 기술의 발달로 스마트폰, 테블릿 PC 등 다양한 모바일 기기들이 빠른 속도로 출시되고 있다. 이런 기기들은 디자인 및 편의성을 개선하기 위해서 두께가 점점 얇아지는 추세이다. 이러한 고객의 요구를 만족시키기 위해서 배터리 두께 정밀도를 확보하는 것이 중요하다.
리튬 이차전지의 경우 배터리 충방전 사이클이 반복됨에 따라 두께가 증가하는 스웰링 현상이 발생한다. 이는 전지 내부에서 리튬 화합물 생성이 생성되어 전극/전해질 계면층이 성장하기 때문이다. 그러나 극판 사이의 간격이 협소하면 전극이 팽창할 때 극판이 울퉁불퉁하게 변형되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 극판 사이의 간격이 좁으면 극판의 측단이 꺾여서 전극 어셈블리의 두께가 불균일해지는 문제가 발생할 수 있다. 특히 최근에는 넓은 폭과 얇은 두께를 갖는 전지가 개발되고 있는데, 두께가 얇은 전지의 경우 전극 사이에 완충 공간이 충분하지 않으므로 균일한 두께를 균일하게 하는 것은 더욱 어렵다.
본 발명은 스웰링 시에 극판의 변형을 최소화하고 전극 어셈블리의 두께를 균일화할 수 있는 맨드렐을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 전극을 권취하는 맨드렐(mandrel)에 있어서, 상기 맨드렐은 제1 권취릴 상기 제1 권취릴에서 간극을 두고 배치된 제2 권취릴을 포함하고, 상기 제1 권취릴은 상기 제2 권취릴과 마주하는 간극면과 상기 간극면에서 이어진 제1 전면과 제2 전면, 및 상기 제1 전면과 상기 제2 전면을 연결하는 제1 경사면과 제2 경사면을 포함하고, 상기 제1 경사면은 상기 제2 경사면보다 더 길게 형성된다. 여기서 상기 제1 경사면의 길이는 상기 제2 경사면의 길이의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 경사면은 상기 제1 전면과 연결되고, 상기 제2 경사면은 상기 제2 전면과 연결되며, 상기 제1 경사면과 상기 제1 전면 사이의 경사각은 상기 제2 경사면과 상기 제2 전면 사이의 경사각의 0.95배 내지 0.7배로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1 경사면과 상기 제1 전면이 만나는 부분은 호형으로 이어져 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 만나는 부분에서 상기 제1 전면에서 연장된 평면까지의 거리를 D1이라 하고, 상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 만나는 부분에서 상기 제2 전면에서 연장된 평면까지의 거리를 D2라 할 대, D1/D2는 1.5 내지 4로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 멘드렐의 두께를 T1(mm)이라 하고, 상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 만나는 각을 F1(°)이라 할 때, T1/F1은 0.25 내지 1.2로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 이루는 각은 50도 내지 70도로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 전면과 상기 제2 전면은 평행하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 권취릴은 상기 제1 권취릴과 마주하는 간극면과 상기 간극면에서 이어진 제3 전면과 제4 전면, 및 상기 제3 전면과 상기 제4 전면을 연결하는 제3 경사면과 제4 경사면을 포함하며, 상기 제1 경사면은 상기 제2 경사면보다 더 길게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제3 경사면은 상기 제1 경사면과 평행하게 형성되고, 상기 제4 경사면은 상기 제4 경사면과 평행하게 배치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 권취용 맨드렐을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 권취용 맨드렐의 종단면도이다.
도 3은 전극 어셈블리의 두께 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 권취용 맨드렐의 종단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 권취용 맨드렐을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 권취용 맨드렐의 종단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 맨드렐(101)은 제1 권취릴(10)과 제2 권취릴(20)을 포함한다. 제1 권취릴(10)과 제2 권취릴(20)은 간극을 두고 이격 배치되며 제1 권취릴(10)과 제2 권취릴(20) 사이에 극판의 단부가 끼워진다. 제1 권취릴(10)과 제2 권취릴(20) 사이에 양극, 음극 및 세퍼레이터를 개재한 상태에서 제1 권취릴(10)과 제2 권취릴(20)을 함께 회전시키면 맨드렐(101)의 외면에 극판이 감겨진다.
제1 권취릴(10)은 제2 권취릴(20)과 마주하는 간극면(15)과 간극면(15)에서 이어진 제1 전면(11)과 제2 전면(12), 및 제1 전면(11)과 제2 전면(12)을 연결하는 제1 경사면(13)과 제2 경사면(14)을 포함한다. 제1 권취릴(10)은 대략 5각형의 종단면을 갖는데 간극면(15), 제1 전면(11), 제1 경사면(13), 제2 경사면(14), 제2 전면(12)이 차례로 연결되어 5각형을 형성한다.
간극면(15), 제1 전면(11), 제1 경사면(13), 제2 경사면(14), 제2 전면(12)은 직사각형으로 형성되며 폭방향과 길이방향을 갖는다. 여기서 폭방향은 제1 권취릴(10)의 폭방향을 의미하며 도 1에서 y축 방향이다. 간극면(15), 제1 전면(11), 제1 경사면(13), 제2 경사면(14), 제2 전면(12)은 폭방향 너비가 동일하다. 한편, 길이방향은 폭방향과 교차하는 방향으로서 도 1에서 z축 방향이다.
제1 전면(11)과 제2 전면(12)은 평행하게 형성되며, 동일한 길이를 갖는다. 한편, 제1 경사면(13)과 제2 경사면(14)은 제1 전면(11)과 제2 전면(12)을 연결하는데 제1 경사면(13)은 제1 전면(11)과 연결되어 제1 전면(11)에 대하여 경사지게 형성되며 제2 경사면(14)은 제2 전면(12)에 연결되어 제2 경사면(14)에 대하여 경사지게 형성된다.
제1 경사면(13)은 제2 경사면(14)보다 더 길게 형성되는데, 제1 경사면(13)의 길이(L1)는 제2 경사면(14)의 길이(L2)의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다. 이와 같이 제1 경사면(13)이 제2 경사면(14)보다 더 길게 형성되면 맨드렐(101)의 측단이 비대칭으로 이루어지므로 전극 어셈블리의 측단에서 길이 차이가 발생하여 극판 사이의 간격을 증가시킬 수 있다.
한편, 제1 전면(11)과 제1 경사면(13) 사이의 경사각()은 제2 전면(12)과 제2 경사면(14) 사이의 경사각보다 더 작게 형성된다. 제1 전면(11)과 제2 경사면(14) 사이의 경사각(A1)은 제2 전면(12)과 제2 경사면(14) 사이의 경사각(A2)의 0.95배 내지 0.7배로 이루어질 수 있다. 제1 경사면(13)과 제2 경사면(14)의 기울기가 상이하면 전극 어셈블리의 양쪽 면에서 비대칭을 유발하여 극판 사이의 간격을 증가시킬 수 있다.
한편, 제1 경사면(13)과 제2 경사면(14)이 만나는 부분에서 제1 전면(11)에서 연장된 평면까지의 거리를 D1이라 하고, 제1 경사면(13)과 제2 경사면(14)이 만나는 부분에서 제2 전면(12)에서 연장된 평면까지의 거리를 D2라 할 대, D1/D2는 1.5 내지 4로 이루어진다. 이에 따라 제1 경사면(13)과 제2 경사면(14)이 만나는 모서리는 제2 전면(12)과 인접하도록 배치된다.
또한, 제1 권취릴(10)의 두께를 T1(mm)이라 하고, 제1 경사면(13)과 제2 경사면(14)이 이루는 각을 F1(°)이라 할 때, T1/F1은 0.25 내지 1.2로 이루어진다. 또한, 제1 경사면(13)과 제2 경사면(14)이 이루는 각(A3)은 50° 내지 70°로 이루어질 수 있다.
한편, 제2 권취릴(20)은 제1 권취릴(10)과 회전대칭 구조로 이루어지는데, 제2 권취릴(20)은 제1 권취릴(10)과 마주하는 간극면(25)과 간극면(25)에서 이어진 제3 전면(21)과 제4 전면(22), 및 제3 전면(21)과 제4 전면(22)을 연결하는 제3 경사면(23)과 제4 경사면(24)을 포함한다.
제2 권취릴(20)의 간극면(25)은 제1 권취릴(10)의 간극면(15)과 평행하게 배치되며, 극판들은 간극면 사이에 삽입된다. 또한, 제3 경사면(23)은 제1 경사면(13)과 평행하게 형성되고, 제4 경사면(24)은 제2 경사면과 평행하게 형성된다. 또한, 제3 전면(21)과 제4 전면(22)은 평행하게 배치된다.
또한 간극면(25), 제3 전면(21), 제3 경사면(23), 제4 경사면(24), 제4 전면(22)은 직사각형으로 형성된다. 제2 권취릴(20)은 대략 5각형의 종단면을 갖는데 간극면(25), 제3 전면(21), 제3 경사면(23), 제4 경사면(24), 제4 전면(22)이 연결되어 5각형을 형성한다. 또한, 제3 경사면(23)은 제4 경사면(24)보다 더 길게 형성되는데, 제3 경사면(23)의 길이는 제4 경사면(24)의 길이의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다.
이와 같이 제1 권취릴(10)과 제2 권취릴(20)에서 경사면들이 서로 비대칭적으로 형성되면 전극 어셈블리의 측단에서 길이 차이가 발생하여 극판 사이의 간격을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 스웰링 시에 극판의 변형을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전극 어셈블리의 측단에서 극판이 꺽여서 전극 어셈블리의 두께가 불균일해지는 것을 방지할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 맨드렐에 의하여 권취된 전극 어셈블리를 충전하였을 때의 두께는 대칭인 맨드렐에 의하여 권취된 전극 어셈블리를 충전하였을 때의 두께보다 더 작을 뿐만 아니라 두께의 산포도 더 작은 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 권취용 맨드렐의 종단면도이다.
도 4를 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 전극 권취용 맨드렐은
본 제2 실시예에 따른 맨드렐(102)은 제1 권취릴(30)과 제2 권취릴(40)을 포함한다. 제1 권취릴(30)과 제2 권취릴(40)은 간극을 두고 이격 배치되며 제1 권취릴(30)과 제2 권취릴(40) 사이에 극판의 단부가 끼워진다.
제1 권취릴(30)은 제2 권취릴(40)과 마주하는 간극면(35)과 간극면(35)에서 이어진 제1 전면(31)과 제2 전면(32), 및 제1 전면(31)과 제2 전면(32)을 연결하는 제1 경사면(33)과 제2 경사면(34)을 포함한다. 간극면(35), 제1 전면(31), 제1 경사면(33), 제2 경사면(34), 제2 전면(32)은 직사각형으로 형성되며 폭방향과 길이방향을 갖는다. 간극면(35), 제1 전면(31), 제1 경사면(33), 제2 경사면(34), 제2 전면(32)은 폭방향 너비가 동일하다.
제1 전면(31)과 제2 전면(32)은 평행하게 형성되며, 동일한 길이를 갖는다. 한편, 제1 경사면(33)은 제1 전면(31)과 연결되어 제1 전면(31)에 대하여 경사지게 형성되며 제2 경사면(34)은 제2 전면(32)에 연결되어 제2 경사면(34)에 대하여 경사지게 형성된다. 제1 경사면(33)은 제2 경사면(34)보다 더 길게 형성되는데, 제1 경사면(33)의 길이는 제2 경사면(34)의 길이의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다.
제1 전면(31)과 제1 경사면(33)이 만나는 부분은 호형으로 이어져 형성되는데 여기서 제1 경사면(33)의 길이는 호의 중심(O1)에 대하여 수직인 접선(C1)의 접점(P1)에서 반대편 모서리까지의 길이를 의미한다. 이와 같이 제1 전면(31)과 제1 경사면(33)이 만나는 부분이 호형으로 이어져 형성되면 제1 경사면(33)의 길이를 더욱 길게 형성할 수 있다.
한편, 제2 권취릴(40)은 제1 권취릴(30)과 회전대칭 구조로 이루어지는데, 제2 권취릴(40)은 제1 권취릴(30)과 마주하는 간극면(45)과 간극면(45)에서 이어진 제3 전면(41)과 제4 전면(42), 및 제3 전면(41)과 제4 전면(42)을 연결하는 제3 경사면(43)과 제4 경사면(44)을 포함한다.
제2 권취릴(40)의 간극면(45)은 제1 권취릴(30)의 간극면(35)과 평행하게 배치되며, 극판들은 간극면 사이에 삽입된다. 또한, 제3 경사면(43)은 제1 경사면(33)과 평행하게 형성되고, 제4 경사면(44)은 제2 경사면(34)과 평행하게 형성된다. 또한, 제3 전면(41)과 제4 전면(42)은 평행하게 배치된다.
또한, 제3 경사면(43)은 제4 경사면(44)보다 더 길게 형성되는데, 제3 경사면(43)의 길이는 제4 경사면(44)의 길이의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다. 제3 전면(41)과 제3 경사면(43)이 만나는 부분은 호형으로 이어져 형성되는데 여기서 제3 경사면(43)의 길이는 호의 중심(O2)에 대하여 수직인 접선(C2)의 접점(P2)에서 반대편 모서리까지의 길이를 의미한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
101, 102: 맨드렐 10, 30: 제1 권취릴
11, 31: 제1 전면 12, 32: 제2 전면
13, 33: 제1 경사면 14, 34: 제2 경사면
15, 25, 35, 45: 간극면 20, 40: 제2 권취릴
21, 41: 제3 전면 22, 42: 제4 전면
23, 43: 제3 경사면 24, 44: 제4 경사면

Claims (10)

  1. 이차 전지의 전극을 권취하는 맨드렐(mandrel)에 있어서,
    상기 맨드렐은 제1 권취릴 상기 제1 권취릴에서 간극을 두고 배치된 제2 권취릴을 포함하고,
    상기 제1 권취릴은 상기 제2 권취릴과 마주하는 간극면과 상기 간극면에서 이어진 제1 전면과 제2 전면, 및 상기 제1 전면과 상기 제2 전면을 연결하는 제1 경사면과 제2 경사면을 포함하고,
    상기 제1 경사면은 상기 제2 경사면보다 더 길게 형성되며,
    상기 제2 권취릴은 상기 제1 권취릴과 마주하는 간극면과 상기 간극면에서 이어진 제3 전면과 제4 전면, 및 상기 제3 전면과 상기 제4 전면을 연결하는 제3 경사면과 제4 경사면을 포함하며,
    상기 제3 경사면은 상기 제4 경사면보다 더 길게 형성된 전극 권취용 맨드렐.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경사면의 길이는 상기 제2 경사면의 길이의 1.1배 내지 1.5배인 전극 권취용 맨드렐.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경사면은 상기 제1 전면과 연결되고, 상기 제2 경사면은 상기 제2 전면과 연결되며,
    상기 제1 경사면과 상기 제1 전면 사이의 경사각은 상기 제2 경사면과 상기 제2 전면 사이의 경사각의 0.95배 내지 0.7배인 전극 권취용 맨드렐.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 경사면과 상기 제1 전면이 만나는 부분은 호형으로 이어진 전극 권취용 맨드렐.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 만나는 부분에서 상기 제1 전면에서 연장된 평면까지의 거리를 D1이라 하고, 상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 만나는 부분에서 상기 제2 전면에서 연장된 평면까지의 거리를 D2라 할 대, D1/D2는 1.5 내지 4인 전극 권취용 맨드렐.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 맨드렐의 두께를 T1(mm)이라 하고, 상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 만나는 각을 F1(°)이라 할 때, T1/F1은 0.25 내지 1.2인 전극 권취용 맨드렐.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 이루는 각은 50도 내지 70도인 전극 권취용 맨드렐.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전면과 상기 제2 전면은 평행하게 배치된 전극 권취용 맨드렐.
  9. 삭제
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 경사면은 상기 제1 경사면과 평행하게 형성되고, 상기 제4 경사면은 상기 제2 경사면과 평행하게 형성된 전극 권취용 맨드렐.

KR1020140158192A 2014-11-13 2014-11-13 전극 권취용 맨드렐 KR102260831B1 (ko)

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