KR102565423B1 - 전극조립체를 제조하기 위한 장치 - Google Patents

전극조립체를 제조하기 위한 장치 Download PDF

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KR102565423B1 KR1020230000459A KR20230000459A KR102565423B1 KR 102565423 B1 KR102565423 B1 KR 102565423B1 KR 1020230000459 A KR1020230000459 A KR 1020230000459A KR 20230000459 A KR20230000459 A KR 20230000459A KR 102565423 B1 KR102565423 B1 KR 102565423B1
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이태호
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Abstract

본 발명은 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 분리막 시트(30)를 지그재그 폴딩시켜 전극조립체를 제조하기 위한 장치로서, 상기 장치는 고정되어 설치되는 스텍 테이블(stack table, 100)과, 상기 스텍 테이블의 일측에 설치되는 제1 전극 제공부(200)와, 상기 스텍 테이블의 타측에 설치되는 제2 전극 제공부(300)와, 상기 스텍 테이블의 상부에 설치되는 분리막 시트 공급부(400)와, 상기 고정 롤러의 하측에 설치되는 장력 유지부(500)와, 상기 장력 유지부의 구동을 제어하는 컨트롤러(controller)를 포함하고, 상기 장력 유지부는 분리막 시트의 장력을 일정하게 유지시킨다. 또한, 상기 장력 유지부(500)는 가로대(510)와, 상기 가로대에서 좌우로 이동하는 가로 슬라이드(520)와, 상기 한 쌍의 가이드 롤러(540)가 설치되고 가로 슬라이드에서 승강하는 세로 슬라이드(530)를 포함하고, 상기 한 쌍의 가이드 롤러(540) 사이에 분리막 시트가 끼워진다.

Description

전극조립체를 제조하기 위한 장치{EQUIPMENT FOR MANUFACTURING ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 이차 전지용 전극조립체를 제조하기 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위치 고정된 스텍 테이블의 상부에 음극, 분리막, 양극을 적층하여 전극조립체를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.
극판, 분리막, 전해액 등으로 구성되는 이차전지 전극조립체는 극판을 구성하는 방식에 따라 구분되는데, 연속으로 공급되는 음극판, 양극판, 분리막을 동시에 감는 권취(Winding)방식과, 평면의 낱장으로 공급되는 음극판과 양극판을 순차적으로 쌓고 음극판과 양극판 사이에 적절한 방식으로 분리막을 위치시키는 적층(Stacking)하는 방식이 있다.
적층 방식은 분리막을 공급하는 방법에 따라 전극조립체를 만드는 다양한 방식이 있으며, 이 중 극판과 극판 사이에 분리막을 지그재그 형태로 공급하는 Z폴딩(Z-Folding)방식은 전극이 안착되는 스텍 테이블이 통상적으로 좌우의 일정한 구간을 왕복운동하도록 구성되어, 한 위치에서 일측에 위치한 음극판이 공급되고나면, 다른 위치로 이동하여 타측에서 공급되는 양극판이 공급되도록 하며, 스텍 테이블이 좌우로 움직이는 동안 분리막이 음극판과 양극판 사이에 지그재그 형태로 위치할 수 있도록 장치를 구성하게 된다.
이와 같은 방식은 일정 크기 이하의 소형 크기의 전극조립체를 생산하는데는 적절한 방식이였으나, 최근 전기자동차용 이차전지 수요가 급등하고 주행거리 증가에 대한 요구에 따라 전극조립체를 적층으로 제작하는 방식에서 스텍 테이블이 좌우로 움직이는 방식은 이차전지의 크기가 증가할수록 스텍 테이블의 크기와 무게가 증가하게 되고, 극판 사이즈의 증가에 따라 전극체의 무게가 증가하게 되어 스텍 테이블을 구동하기 위한 구동장치의 크기가 증가되어야할 뿐만 아니라 구동 장치가 감당해야하는 가반 하중의 증가에 따라 제품 생산성을 높이는데 한계가 있다.
또한 스텍 테이블이 좌측과 우측을 왕복하는 장치에서 스텍 테이블이 고속으로 이동하는 과정에서 분리막을 공급하는 중앙점을 지나치는 과정에서 분리막 시트의 공급 방향이 반전되면서 분리막 시트에 인가되는 장력(tension)이 일시적으로 낮아지고, 전극의 일측 상부에서 분리막의 들뜸 현상이 발생할 수 있다.
공개특허공보 제10-2020-0023852호, 전극 조립체 제조장치 중국 공개특허공보 CN 106450409 A, 배터리 피스 라미네이팅 장치 및 방법 공개특허공보 제10-2021-0119786호, 셀 제조장치 및 방법 공개특허공보 제10-2020-0089452호, 전극 조립체 제조장치와, 이를 통해 제조된 조립체 및 이차전지
본 발명은 전극의 상부에 분리막 시트를 균일한 장력으로 공급할 수 있는 전극조립체 제조장치를 제공하려는 데 그 목적이 있다.
또 본 발명은 전극의 단부에서 분리막 시트가 반전할 때, 장력(tension)의 일시적 저하현상을 방지할 수 있는 전극조립체 제조장치를 제공하려는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 분리막 시트(30)를 지그재그 폴딩시켜 전극조립체를 제조하기 위한 장치로서, 상기 장치는 고정되어 설치되는 스텍 테이블(stack table, 100)과, 상기 스텍 테이블의 일측에 설치되는 제1 전극 제공부(200)와, 상기 스텍 테이블의 타측에 설치되는 제2 전극 제공부(300)와, 상기 스텍 테이블의 상부에 설치되는 분리막 시트 공급부(400)와, 상기 고정 롤러의 하측에 설치되는 장력 유지부(500)와, 상기 장력 유지부의 구동을 제어하는 컨트롤러(controller)를 포함하고, 상기 장력 유지부는 분리막 시트의 장력을 일정하게 유지시킨다.
또한, 상기 장력 유지부(500)는 가로대(510)와, 상기 가로대에서 좌우로 이동하는 가로 슬라이드(520)와, 한 쌍의 가이드 롤러(540)가 설치되고 가로 슬라이드에서 승강하는 세로 슬라이드(530)를 포함하고, 상기 한 쌍의 가이드 롤러(540) 사이에 분리막 시트가 끼워진다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극 제공부(200, 300)는 비젼 카메라와 위치 조절기를 포함하여 구성되고, 상기 비젼 카메라로부터 촬상된 이미지를 기초로 위치조절기를 구동하여 제1 및 제2 전극의 위치를 정렬하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 장력 유지부의 가이드 롤러는 분리막 시트의 장력을 일정하게 유지하기 위하여 스텍 테이블 좌우 위치에서의 높이가 스텍 테이블 중앙의 위치보다 낮게 위치될 수 있는 원호 궤적을 구현한다.
또한, 스텍 테이블의 가장자리 좌우 위치에서 가이드 롤러는 스텍 테이블의 높이와 같거나 낮게 위치할 수 있도록 하여, 제1 전극, 제2 전극, 분리막을 일시적으로 고정하기 위한 클램프가 동작할 때 클램프의 이동 경로가 분리막과 겹치지 않을 수 있다.
대형 이차전지 전극조립체를 고속으로 생산하기 위해 스텍 테이블을 고정형으로 구성하는 장치에 있어, 음극판과 양극판 사이에 분리막이 공급될 때 일시적으로 장력이 낮아지는 현상이 발생한다.
본 발명에서는 분리막을 공급하기 위한 가이드 롤러를 수평 방향으로 움직이는 가로 슬라이드와 수직 방향으로 움직이는 세로 슬라이드가 교차하는 장치에 설치하여, 분리막이 공급되는 위치에 따라 전극 조립체로부터 분리막이 일정한 거리를 유지할 수 있도록 하고, 전극조립체가 고속으로 적층되는 중에도 분리막의 장력이 일정하게 유지될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전극 조립체 제조장치의 구성도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 일측 및 타측 반전영역에서 스텍 테이블의 움직임을 나타낸 것이다.
도 4는 종래 기술에 따른 일측 및 타측 반전영역에서 분리막 시트의 장력 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 전극 조립체를 제조하기 위한 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 장력 유지부의 구성도이다.
도 7은 스텍 테이블에 안착된 전극을 가압하는 클램프를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 장력 유지부의 동작을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.
본 발명은 고정된 스텍 테이블의 상부에서 교대로 제공되는 제1 및 제2 전극 사이에서 분리막 시트를 지그재그 폴딩하여 전극 조립체를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 도 1은 본 발명일 실시 예에 따른 전극 조립체를 나타낸 것이다.
전극 조립체는 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 분리막 시트(30)가 지그재그 폴딩된 구조를 갖는다. 일 실시예로서, 상기 제1 전극은 음극 또는 양극일 수 있다. 상기 제1 전극은 음극일 경우 상기 제2 전극 양극일 수 있고, 제1 전극이 양극일 경우 상기 제2 전극은 음극일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 전극 사이에는 분리막 시트가 개재된다. 상기 분리막 시트는 폴리에틸렌(PE), 폴리올레핀(PO), 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 고분자 소재로 이루어질 수 있다. 전극 조립체에서 분리막 시트는 리튬 이온의 이동통로가 된다. 때문에 전극 조립체의 품질은 분리막 시트의 두께 균일성에 따라 달라질 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 전극 조립체 제조장치의 구성도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 일측 및 타측 반전영역에서 스텍 테이블의 움직임을 나타낸 것이며, 도 4는 종래 기술에 따른 일측 및 타측 반전영역에서 분리막 시트의 장력 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 스텍 테이블 구동형을 갖는 전극 조립체 제조장치를 나타낸 것이다. 도면을 참조하면, 일측과 타측에 각각 제1 전극 제공부와 제2 전극 제공부가 고정되어 설치되어 있고, 상측에서 분리막 시트가 공급된다. 스텍 테이블은 일측과 타측을 왕복하면서 전극 조립체를 제조하고 있다.
스텍 테이블은 일측 반전영역(A-B), 중앙영역(B-C), 타측 반전영역(C-D)을 지나게 되는데, 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 분리막 시트의 장력은 순차적으로 ①, ②, ③, ④의 경로를 지나게 된다. 이때, 일측 반전영역(A-B)과 타측 반전영역(C-D)에서 장력의 일시적 저하 현상(경로 ①, 경로 ③)이 발생하게 된다.
본 발명은, 이와 같은 일측 및 타측 반전영역에서 발생하는 장력의 일시적 저하 현상을 보상하기 위한 장력 유지부를 갖는다.
도 5는 본 발명에 따른 전극 조립체를 제조하기 위한 장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 전극 조립체 제조장치는, 고정되어 설치되는 스텍 테이블(stack table, 100)과, 상기 스텍 테이블의 일측에 설치되는 제1 전극 제공부(200)와, 상기 스텍 테이블의 타측에 설치되는 제2 전극 제공부(300)와, 상기 스텍 테이블의 상부에 설치되는 분리막 공급부(400)와, 상기 분리막 공급부의 하측에 설치되는 장력 유지부(500)와, 상기 장력 유지부의 구동을 제어하는 컨트롤러(controller)를 포함한다.
상기 스텍 테이블(100)은 위치 고정하여 설치된다. 상기 스텍 테이블의 상부에는 양극판과 음극판이 교대로 적층되는데, 적층되는 높이로 하강하도록 조절될 수 있다.
상기 스텍 테이블의 일측에는 제1 전극 제공부가 설치되고, 상기 스텍 테이블의 타측에는 제2 전극 제공부가 설치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 제공부(200, 300)는 제1 및 제2 전극을 이송하는 컨베이어(210, 310)와 제1 및 제2 전극의 위치를 정렬하는 정렬대(220, 320)로 이루어질 수 있다. 상기 컨베이어로 이송되는 제1 및 제2 전극은 정렬대로 이송된다. 이러한 이송은 로봇암 장치 혹은 직선왕복운동하는 구동장치 의해 수행될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극의 정렬은 비젼 카메라와 위치조절기를 포함하여 구성될 수 있다. 실시 예로서, 제1 및 제2 전극이 컨베이어로부터 정렬대의 위치조절기의 상부에 안착되면, 상기 비젼 카메라로부터 촬상된 이미지를 기초로 위치조절기를 구동한다. 이에 따라 제1 및 제2 전극을 정확한 위치로 정렬될 수 있다.
상기 분리막 공급부(400)는 서로 다른 위치에 설치된 롤러로 이루어질 수 있다. 상기 롤러는 단독으로 사용될 수 있고, 한 쌍으로 설치될 수도 있다.
상기 장력 유지부(500)은 스텍 테이블로 공급되는 분리막 시트의 장력을 일정 수준으로 유지시킨다. 상기 장력 유지부는 스텍 테이블(100)과 분리막 시트 공급부(400) 사이에 설치된다.
도 6은 본 발명에 따른 장력 유지부의 구성도이다.
본 발명에 따른 장력 유지부(500)는 가로대(510)와, 상기 가로대에서 좌우로 이동하는 가로 슬라이드(520)와, 한 쌍의 가이드 롤러(540)가 설치되고 가로 슬라이드에서 승강하는 세로 슬라이드(530)를 포함한다.
추가적으로 상기 장력 유지부는 분리막 시트의 장력을 일정하게 유지하기 위한 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 장력 유지부의 구동을 제어한다.
상기 가로 슬라이드(520)는 컨트롤러의 제어신호에 따라 가로대(510)에서 좌우이동한다. 또 상기 세로 슬라이드(530)는 컨트롤러의 제어신호에 따라 가로 슬라이드(520)에서 상하 이동한다.
상기 세로 슬라이드(530)에 설치된 가이드 롤러(540)는 가로 슬라이드(520)와 세로 슬라이드의 좌우 및 상하 이동에 따라, 도 6(b)에서 보는 바와 같이, 원호 형상의 장력 궤적(RT)을 가질 수 있다. 상기 장력 궤적은 분리막 시트가 일정한 장력을 유지시키기 위한 궤적으로서, 가로 슬라이드와 세로 슬라이드의 위치값을 조절하여 구현될 수 있다.
상기 장력 유지는 로드 셀(load cell)을 이용하여 수행될 수 있다. 실시예로서, 컨트롤러는 소정의 장력범위를 가질 수 있다. 상기 장력범위는 상위기준값과 하위기준값 사이의 범위일 수 있고, 컨트롤러는 로드 셀로부터 검출된 분리막의 장력이 하위기준값에 도달한 경우 세로 슬라이드를 높이를 높여 분리막의 장력을 증가시키고, 상위기준값에 도달한 경우 세로 슬라이드의 높이를 낮추어 분리막의 장력이 낮아지도록 제어할 수 있다.
상기 가이드 롤러(540)는 스텍 테이블의 가장자리 좌우 위치에서 스텍 테이블의 높이와 같거나 낮게 위치할 수 있다. 도 7은 스텍 테이블에 안착된 전극을 가압하는 클램프를 나타낸 것인데, 전극 및 분리막이 스텍 테이블에 안착된 후, 전극과 분리막을 일시적으로 위치고정하여 가압하는 구성이다. 본 발명에 따른 가이드 롤러는 전극과 분리막을 일시적으로 고정하기 위한 클램프가 동작할 때 클램프의 이동 경로가 분리막과 겹치지 않을 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 장력 유지부의 동작을 나타낸 것인데, 분리막 시트는 한 쌍의 롤러 사이에 끼워져 있고, 우측 하단에 위치하고 있는 가이드 롤러(540)는 가로 슬라이드(520)이 좌측으로 이동함과 동시에 세로 슬라이드가 상승하면서 분리막 시트의 장력을 일정하게 유지하고 있다.
분리막 시트의 장력은, 도 3(b)와 도 4에서 보는 바와 같이, 좌측 반전영역과 우측 반전영역에서 일시적으로 저하되는 현상이 나타나는데, 상기 가이드 롤러(540)의 가로 슬라이드를 가장자리에서 중앙으로 이동할 때 세로 슬라이드를 상승시키면서 상기 좌측 및 우측 반전영역에서 일시적으로 낮아진 분리막 시트의 장력을 높일 수 있다.
분리막 시트는 좌우측 반전영역에서 일시적으로 장력이 낮아지는 현상이 발생한다. 본 발명에 따른 장력 유지부는 좌우측 반전영역에서 분리막 시트를 상향으로 당겨서 분리막 시트의 장력 저하 현상을 보정할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100 : 스텍 테이블
200 : 제1 전극 제공부
300 : 제2 전극 제공부
400 : 분리막 공급부
500 : 장력 유지부
510 : 가로대
520 : 가로 슬라이드
530 : 세로 슬라이드
540 : 한 쌍의 가이드 롤러

Claims (5)

  1. 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 분리막 시트(30)를 지그재그 폴딩시켜 전극조립체를 제조하기 위한 장치로서,
    상기 장치는,
    고정되어 설치되는 스텍 테이블(stack table, 100)과,
    상기 스텍 테이블의 일측에 설치되는 제1 전극 제공부(200)와,
    상기 스텍 테이블의 타측에 설치되는 제2 전극 제공부(300)와,
    상기 스텍 테이블의 상부에 설치되는 분리막 공급부(400)와,
    상기 분리막 공급부의 하측에 설치되고, 분리막 시트의 장력을 일정하게 유지시키는 장력 유지부(500)와,
    상기 장력 유지부의 구동을 제어하는 컨트롤러(controller)를 포함하여 이루어지고,
    상기 장력 유지부(500)는, 가로대(510)와, 상기 가로대에서 좌우로 이동하는 가로 슬라이드(520)와, 한 쌍의 가이드 롤러(540)가 설치되고 가로 슬라이드에서 승강하는 세로 슬라이드(530)로 이루어지며, 상기 한 쌍의 가이드 롤러(540) 사이에는 분리막 시트가 끼워지고,
    상기 한 쌍의 가이드 롤러(540)는 극판 및 분리막을 고정하기 위한 클램프가 동작할 때 클램프의 이동 경로가 분리막과 겹치지 않도록 하기 위하여 상기 스텍 테이블 좌우 위치에서 스텍 테이블의 높이와 같거나 낮게 위치할 수 있도록 구성하고,
    상기 좌우로 이동하는 가로 슬라이드(510)와 상기 가로 슬라이드와 교차로 설치되는 세로 슬라이드(520)가 동시에 동작하여 상기 세로 슬라이드 상에 설치되는 한 쌍의 가이드 롤러(540)가 원호 궤적으로 움직일 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 제공부(200, 300)는 비젼 카메라와 위치 조절기를 포함하여 구성되고, 상기 비젼 카메라로부터 촬상된 이미지를 기초로 위치조절기를 구동하여 제1 및 제2 전극의 위치를 정렬하도록 구성한 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
KR1020230000459A 2023-01-02 2023-01-02 전극조립체를 제조하기 위한 장치 KR102565423B1 (ko)

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및 이차전지

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