KR102616553B1 - 전극 어셈블리 제조 방법, 전극 어셈블리, 그리고 하나 이상의 전극 어셈블리를 포함한 배터리 셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극 어셈블리(10)를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 제1 단계로 제1 분리 필름(12)을 공급하는 단계를 포함한다. 그에 이어서 제1 분리 필름(12) 상에 사전 설정된 제1 도포 패턴에 따른 접착제의 제1 도포 단계가 수행되고, 여기서 제1 접착제 도포부(16)가 생성된다. 그에 이어서, 접착제는 적어도 부분적으로 경화된다. 그 다음, 전극 유닛(20)을 공급하고, 이 전극 유닛(20)을 제1 분리 필름(12) 상에 배치하는 단계가 수행되며, 상기 전극 유닛(20)은 제1 활물질층(22), 집전체(24) 및 제2 활물질층(26)을 포함한다. 전극 유닛(20)은, 제1 활물질층(22)이 제1 분리 필름에 직접 인접하는 방식으로 제1 분리 필름(12) 상에 배치된다. 그 다음, 사전 설정된 제2 도포 패턴에 따른 접착제의 제2 도포 단계가 수행되고, 적어도 부분적으로 제1 접착제 도포부(16) 상에 배치되는 제2 접착제 도포부(18)가 생성된다. 제2 도포 단계에서 도포된 접착제는 적어도 부분적으로 경화된다. 그에 이어서, 제2 분리 필름(14)이 공급되어 전극 유닛(20)의 자유면 상에 배치되고, 제2 분리 필름(14)은 제1 및 제2 도포 단계에서 도포된 접착제에 의해 제1 분리 필름(12)과 결합된다. 본 발명의 또 다른 양태들은 상기 방법에 따라 제조되는 전극 어셈블리(10) 및 상기 전극 어셈블리를 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전극 어셈블리를 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법의 경우 제1 분리 필름(separator film)이 공급되고, 전극 유닛이 제1 분리 필름 상에 배치되고, 제2 분리 필름이 전극 유닛의 자유면(free side) 상에 배치되며, 상기 두 분리 필름은 접착제 또는 폴리머에 의해 상호 결합된다. 본 발명의 또 다른 양태들은, 상기 방법에 따라 제조되는 전극 어셈블리, 그리고 하나 이상의 상기 전극 어셈블리를 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다.
전기 에너지는 배터리들을 사용하여 저장될 수 있다. 이 경우, 배터리 내에서 화학 반응 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 이 경우, 일차 배터리는 한 번만 방전될 수 있다. 상기 방전은 불가역적이므로, 일차 배터리는 재충전이 불가능하다. 이와 반대로, 축전지라고도 지칭되는 이차 배터리들은 재충전이 가능하다. 하기에서는 일반화된 언어 사용에 따라 배터리란 용어가 일차 배터리뿐만 아니라 이차 배터리에 대해서도 사용된다.
선행 기술에는, 높은 에너지 밀도를 특징으로 하는 리튬 이온 배터리가 공지되어 있다. 리튬 이온 배터리는 실질적으로 캐소드, 애노드, 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리막(separator), 및 이온 전도 전해질을 포함한다. 이 경우, 분리막은 애노드와 캐소드를 상호 간에 전기적으로 분리하는 기능을 가지며, 이 경우 분리막을 통과해서 이온 전도가 가능해진다.
US 2015/0140394 A1호로부터 공지된 배터리 제조 방법에서는, 전도성 기판의 표면 상에서 적어도 부분적으로 접착제가 도포될 프레임 영역이 정의되며, 이 프레임 영역에 의해 에워싸인 내부 영역은 실질적으로 접착제가 없는 상태로 유지된다. 상기 내부 영역에 캐소드 재료가 도포된다. 그에 이어서 캐소드 집전체가, 캐소드 재료와 상기 캐소드 집전체 간의 전기 전도성 연결이 형성되도록 배치되며, 이때 캐소드 집전체는 접착제가 제공된 영역보다 더 돌출되도록 배치된다. 캐소드 재료 상에는 전기 절연성이면서 이온 전도성인 전해질 재료가 도포된다. 그에 이어서, 전해질 재료 상에 애노드 재료가 도포되고, 이때 캐소드 집전체는 애노드 재료와 전기 전도성으로 연결되고 기판보다 더 돌출된다. 마지막으로, 기판은 그 위에 배치된 층들과 함께 절첩되며, 이때 형성되는 배터리는 도포된 접착제에 의해 밀봉된다.
KR 2004-0079533호로부터는 배터리 셀들을 연속 제조하기 위한 장치가 공지되어 있으며, 이 장치의 경우 분리막 재료가 롤러에 의해 권출되고, 분리막의 표면이 접착제로 코팅되며, 분리막 상에 전극판이 올려지고, 열 작용에 의해 분리막과 전극판 사이에 접착이 이루어진다.
분리막 포켓들(separator pocket)의 제조를 위해, 2개의 분리 필름이 상호 간에 접착될 수 있다. 이 경우, 접착부의 높이가 두 분리막 층 사이에 배치된 전극의 높이와 유사해야 한다는 문제가 있다. 공지된 방법의 경우, 접착부의 높이와 폭의 비율이 제한되며, 그럼으로써 에너지 저장에 능동적으로 기여하지 못하는 접착제가 배터리 셀의 비교적 큰 체적을 차지하게 된다.
본 발명에 따라, 전극 어셈블리를 제조하기 위한 방법이 제안된다. 본원의 방법은 제1 단계로 제1 분리 필름을 공급하는 단계를 포함한다. 그에 이어서, 제1 분리 필름 상에 사전 설정된 제1 도포 패턴에 따른 접착제의 제1 도포 단계가 수행되고, 제1 접착제 도포부가 생성된다. 그에 이어서, 접착제는 적어도 부분적으로 경화된다. 그 다음, 전극 유닛을 제공하고, 제1 분리 필름 상에 이 전극 유닛을 배치하는 단계가 수행되며, 전극 유닛은 제1 활물질층, 집전체 및 제2 활물질층을 포함한다. 전극 유닛은, 제1 활물질층이 제1 분리 필름에 직접 인접하는 방식으로 제1 분리 필름 상에 배치된다. 그 다음, 사전 설정된 제2 도포 패턴에 따른 접착제의 제2 도포 단계가 수행되고, 여기서 적어도 부분적으로 제1 접착제 도포부 상에 배치되는 제2 접착제 도포부가 생성된다. 바람직하게 제1 도포 패턴과 제2 도포 패턴은 동일하게 선택된다. 제2 도포 단계에서 도포된 접착제는 적어도 부분적으로 경화된다. 그에 이어서, 제2 분리 필름이 제공되어 전극 유닛의 자유면 상에 배치되고, 이때 제2 분리 필름은 제1 도포 단계 및 제2 도포 단계에서 도포된 접착제에 의해 제1 분리 필름과 결합된다.
이 경우, 각각 도포 단계 직후에, 제1 접착제 도포부의 두께 및 제2 접착제 도포부의 두께는, 바람직하게 전극 유닛의 제1 내지 제2 활물질층의 두께에 상응하게, 또는 바람직하게는 약간 더 두껍게 선택된다. 그러므로, 제1 도포 단계에 후속하는 단계들의 실행 전에 제1 접착제 도포부의 두께는 제1 활물질층의 두께의 80% 내지 120%의 범위인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제2 도포 단계에 후속하는 단계들의 실행 전에 제2 접착제 도포부의 두께는 제2 활물질층의 두께의 80% 내지 120%의 범위인 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 제1 접착제 도포부 및/또는 제2 접착제 도포부를 위한 두께는, 제1 내지 제2 활물질층 두께의 100% 내지 120%의 범위 내에서 선택된다.
접착제의 제1 도포 및/또는 제2 도포는 각각 하나의 층의 형태로 또는 복수의 층의 형태로 수행될 수 있다. 이 경우, 복수의 층의 도포 시 층들 각각에 대해 바람직하게 동일한 도포 패턴이 사용되며, 그럼으로써 접착제 도포부의 개별 층들은 서로 상하 적층된다.
도포가 복수의 층의 형태로 수행되는 경우, 층들 각각의 도포 이후에 앞서 도포된 접착제 층들의 적어도 부분적인 경화가 수행될 수 있다. 또한, 2개 이상의 층이 도포되었을 때에만 비로소 상기 중간 경화를 실행하는 점을 생각해볼 수 있다. 예컨대 상기 중간 경화는 매 2개 내지 5개의 층마다 수행될 수 있다.
접착제를 도포하기 위해 이용되는 도포 패턴은 바람직하게 하나 또는 복수의 연속 접착제 라인을 포함한다. 그 대안으로, 또는 그에 추가로, 이용되는 도포 패턴은 예컨대 직선을 따라 배열되는 개별 접착제 포인트들(adhesive point)을 포함할 수 있다.
하나 또는 복수의 연속 접착제 라인을 통해, 그리고/또는 개별 접착제 포인트들을 통해, 제1 분리 필름 상에서 제1 분리 필름과 제2 분리 필름 간의 결합을 위해 제공되는 외부 영역이 정의된다. 제1 분리 필름 상의 내부 영역은 전극 유닛의 배치를 위해 이용되고 접착제가 없는 상태로 유지된다. 내부 영역은 바람직하게 연속성을 갖도록 구현된다. 내부 영역은 예컨대 직사각형으로 구현될 수 있으며, 이때 외부 영역이 내부 영역을 적어도 부분적으로 에워싼다.
특히 제1 분리 필름이 연속 재료의 형태로 공급되는 경우, 내부 영역은 바람직하게 제1 분리 필름을 형성하는 재료 스트립 상에서 연속성을 갖는 스트립형 영역으로서 정의된다. 이 경우, 외부 영역은 특히 연속성이 없는 형태로 형성될 수 있고, 2개의 스트립의 형태로 형성될 수 있으며, 이들 스트립이 각각 내부 영역의 일측에 인접함으로써, 재료 스트립의 폭을 따라서 볼 때 제1 외부 영역, 내부 영역 및 제2 외부 영역이 배열된다. 본 실시예에서는, 제1 외부 영역뿐만 아니라 제2 외부 영역에도 각각 하나 또는 복수의 연속 접착제 라인이 도포될 수 있으며, 이들 접착제 라인은 재료 스트립의 이송 방향(transport direction)을 따라 연장되고, 각각 제1 외부 영역 및 제2 외부 영역이 각각 하나 이상의 연속 접착제 라인을 포함한다. 개별 접착제 포인트들을 포함하는 도포 패턴의 경우, 상기 접착제 포인트들은 특히 하나의 라인을 따라 배열될 수 있고, 상기 라인은 바람직하게 재료 스트립의 이송 방향으로 연장된다. 이 경우, 각각 제1 외부 영역 및 제2 외부 영역은, 개별 접착제 포인트들이 그를 따라 도포되는 하나 이상의 라인을 각각 포함한다.
하나 또는 복수의 연속 접착제 라인은 바람직하게 10㎛ 내지 400㎛의 범위 이내의 두께를 갖는다. 이 경우, 폭 대 두께의 비율은 바람직하게 0.5:1 내지 2:1의 범위 내에 놓인다.
이 경우, 접착제의 두께는, 제1 분리 필름의 면에 대해 수직으로 연장되고 전극 어셈블리의 제조 시 적층 방향과 일치하는 방향을 따라 지정된다. 이 경우, 연속 접착제 라인의 폭은, 두께에 대해 수직이면서, 접착제 도포부가 그를 따라 생성되는 라인의 방향에 대해서도 수직인 방향을 따라 지정된다.
개별 접착제 포인트들의 형태로 접착제를 도포할 때, 접착제 포인트들은 바람직하게 10㎛ 내지 400㎛의 범위 이내의 두께를 갖는다. 상기 접착제 포인트의 지름은 바람직하게 10㎛ 내지 400㎛의 범위 이내에 놓인다. 이 경우, 접착제 포인트의 지름은, 제1 분리 필름의 평면에 상응하는 평면과 관련된다. 이 경우, 지름 대 두께의 비율은 바람직하게 0.5:1 내지 2:1의 범위이다.
개별 접착제 포인트들 또는 연속 접착제 라인들 형태의 접착제 도포를 특징으로 하는 패턴을 도포 패턴이라 지칭한다.
또한, 전극 유닛은 바람직하게, 집전체와 연결된 집전체 러그(current collector lug)를 포함하며, 이 집전체 러그는 제1 분리 필름 상에 배치된 후에 제1 분리 필름보다 더 돌출되고, 필요한 경우 제1 접착제 도포를 통해 도포된 접착제 상에 적어도 부분적으로 놓인다. 집전체 러그를 통해 전극 유닛의 전기 접촉이 가능하다.
바람직하게 제2 분리 필름의 배치 이후 추가 단계에서, 앞서 도포된 접착제의 추가 경화가 수행된다. 이 추가 경화 시, 이전 단계들에서 도포된 접착제가 바람직하게 완전 경화된다.
도포된 접착제는 바람직하게는 폴리머이다.
도포된 접착제는 바람직하게는 전자기 방사선, 특히 UV 방사선을 이용하여 경화될 수 있는 접착제이다. 그에 상응하게, 바람직하게는, 접착제의 적어도 부분적인 경화 및 추가 경화 단계가 UV 방사의 작용을 통해 수행된다. 이 경우, UV 방사선은 특히 약 200㎚ 내지 380㎚ 범위의 파장을 갖는 전자기 방사선이다. UV 방사선을 이용하여 경화되는 접착제에 대한 예로서 예컨대 Panacol사의 Vitralit® 4731-VT 또는 Delo사의 AD491과 같은 아크릴레이트가 있다. 또 다른 예로서 예컨대 Best사의 KL6006과 같은 광경화성 에폭시 접착제가 있다.
그 대안으로, 예컨대 열 작용을 통해 경화되는 접착제가 이용될 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 적어도 부분적인 경화 및/또는 추가 경화 단계가 열 작용을 이용하여 수행된다.
또한, 가열된 상태에서 처리되고 냉각을 통해 경화되는 용융 접착제들도 이용될 수 있다. 이에 대한 예로서 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)과 같은 올레핀 기반 용융 접착제가 있다. 적합한 용융 접착제의 일례는 Henkel사의 Technomelt® AS4206이다.
접착제의 도포 단계는, 연속 접착제 라인들의 형태로 실시되는 도포의 경우, 바람직하게 접착제를 연속으로 배출하는 디스펜서에 의해 수행된다. 개별 접착제 포인트들의 형태로 실시되는 도포의 경우에는, 바람직하게 요건 지향적으로 개별 접착제 액적(adhesive drip)을 배출시킬 수 있는 도포 헤드가 이용된다. 상기 유형의 도포 헤드들은 제트 디스펜서(jet dispenser) 또는 제터(jetter)라고도 지칭된다.
전극 어셈블리의 제조를 위해 이용되는 전극 유닛은 바람직하게 리튬 이온 배터리의 제조에 적합한 전극 유닛이다. 이는 특히 리튬 이온 배터리의 캐소드 또는 애노드로서 적합한 전극 유닛이다.
애노드로서 형성된 전극 유닛은 바람직하게 예컨대 구리로 형성된 집전체와, 제1 활물질층 및/또는 제2 활물질층을 위한 리튬 함유 활물질을 포함한다. 예컨대 금속 리튬은 애노드의 활물질로서 이용된다. 애노드의 적합한 활물질들에 대한 또 다른 예는 순수 리튬 외에 흑연, 규소 및 개질된 흑연도 있다.
리튬 이온 배터리의 제조를 위한 캐소드의 경우, 집전체는 바람직하게 알루미늄으로 제조되며, 제1 활물질층 및/또는 제2 활물질층은, 리튬 이온을 가역적으로 저장하였다가 다시 방출할 수 있는 캐소드 재료를 포함한다. 캐소드의 적합한 활물질들의 예는 특히 예컨대 NCA(니켈 코발트 알루미늄 산화물), NCM(니켈 코발트 망간 산화물)과 같은 금속 산화물들이다.
분리 필름은, 전기 절연 작용을 하도록, 그러나 리튬 이온에 대해서는 투과성을 갖도록 형성된다. 분리 필름에 적합한 재료들은 예컨대, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 기반으로 하는 다공성 플라스틱 필름을 포함한다. 마찬가지로 특히 세라믹으로 코팅된 폴리에틸렌 필름 또는 폴리프로필렌 필름도 적합하다.
전해질로서는 예컨대 리튬 전도염인 육불화인산리튬(LiPF6)을 유기 용매 내에 용해된 상태로 함유하는 액상 전해질이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 기술한 방법들 중 하나에 의해 제조된 전극 어셈블리에 관한 것이다. 전극 유닛의 각각의 선택에 따라, 전극 어셈블리는 분리막 포켓부 내에 수용된, 배터리 셀용 캐소드 또는 애노드이다. 그에 상응하게, 전극 유닛으로서 캐소드를 포함하는 전극 어셈블리가 애노드 및 전해질과 조합되어 하우징 내에 수용됨으로써, 전극 어셈블리가 갈바닉 소자로 조합될 수 있다. 마찬가지로, 전극 유닛으로서 애노드를 포함한 전극 어셈블리를 캐소드 및 전해질과 조합하여 하우징 내에 수용할 수도 있다. 또한, 각각 분리 필름들 사이에 내포된 전극 유닛을 구비한 전술한 전극 어셈블리들 중 각각 하나가 각각 하나의 추가 전극과 교호적으로 적층되는 전극 스택도 제조될 수 있다. 이 경우, 일 실시예에서, 두 분리 필름 사이에 배치된 전극 유닛은 캐소드로서 형성되고, 그럼으로써 전극 어셈블리는 각각 애노드들과 교호적으로 적층되며, 또 다른 실시예에서는 각각 2개의 분리 필름 사이에 애노드가 전극 유닛으로서 수용되고, 그럼으로써 전극 어셈블리는 캐소드와 교호적으로 적층된다.
본 발명의 또 다른 한 양태는 전술한 전극 어셈블리들 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다. 상기 전극 어셈블리는 특히 추가 전극들 및 전해질과 조합될 수 있다.
배터리 셀들은 특히 전기차, 특히 하이브리드 차량과 관련하여, 또는 전기로 구동되는 공구를 위해서도 이용될 수 있다.
제안된 방법에 의해, 2개의 분리 필름 사이에 전극 유닛이 내포되어 있는 전극 어셈블리들이 간단하게 제조될 수 있다. 이 경우, 두 분리 필름이 상호 접착됨에 따라 분리막 포켓부가 형성된다. 이 경우, 최적의 분리막 포켓부를 위해, 두 분리 필름의 연결에 사용되는 접착제는, 이 접착제의 두께가 두 분리 필름 사이에 수용된 전극 유닛의 두께와 실질적으로 일치하도록 도포되어야 한다. 이 경우, 예컨대 연속 접착제 라인 내지 접착제 비드(adhesive bead)의 형태, 또는 접착제 액적 형태의 통상적인 접착제 도포 시, 접착제 라인 내지 비드의 폭은 적어도 접착제 라인 내지 비드의 두께와 같은 크기이다. 통상적인 접착제 액적의 도포 시에는, 그에 상응하게, 접착제 액적의 지름이 적어도 접착제 액적의 두께와 같은 크기인 점이 적용된다. 따라서, 원하는 접착제 도포 두께를 달성하기 위해, 배터리 셀의 비교적 많은 공간을 접착제가 차지한다. 접착제는 에너지 저장에 능동적으로 기여하지 않기 때문에, 이로써 배터리 셀의 출력 밀도가 감소한다.
그에 반해, 제안된 방법에서는, 적어도 2개의 단계로 접착제를 도포하고, 제1 도포 단계와 제2 도포 단계 사이에서 접착제가 적어도 부분적으로 경화되며, 접착제의 제2 도포 단계에서 적어도 부분적으로 제1 접착제 도포부 상에 위치한다. 따라서, 본 발명에 따라, 적어도 제1 및 제2 도포 단계를 통해 총 2개 이상의 접착제 층이 도포되며, 바람직하게는 각각 동일한 도포 패턴이 이용되고, 2개 이상의 접착제 층이 적어도 부분적으로 서로 겹쳐진다. 바람직한 이상적인 경우에, 접착제의 각각의 개별 층들은 오프셋 없이 상호 적층된다. 제2 도포 단계 전에 제1 접착제 도포부의 적어도 부분 경화가 수행되었기 때문에, 제1 접착제 도포부의 드리프트(drift)가 일어나지 않으며 제1 접착제 도포부는 형태 안정적이다. 이제 제1 접착제 도포부 및 제2 접착제 도포부에서 각각 하나의 접착제 층이 도포된다면, 총 2개의 접착제 층이 도포되는 것이며, 이러한 방식으로 연속 접착제 라인의 폭보다 또는 접착제 포인트의 지름보다 훨씬 더 두꺼운 접착제의 전체 두께가 달성될 수 있다. 예컨대 층이 총 2개인 경우, 2:1의 두께 대 폭의 비율, 또는 두께 대 지름의 비율이 달성될 수 있다.
본원 방법의 또 다른 바람직한 변형예들에서, 제1 도포 시, 그리고/또는 제2 도포 시, 각각 복수의 접착제 층이 도포된다. 이러한 방식으로 두께와 폭 또는 두께와 지름 간의 비율이 훨씬 더 개선될 수 있으며, 그럼으로써 폭 또는 지름이 비교적 작을 때 큰 두께를 갖는 접착제 도포부가 달성된다. 예컨대 폭 또는 지름이 10㎛ 내지 400㎛일 때 달성 가능한 두께는 10㎛ 내지 400㎛의 범위이다. 접착제 라인의 두께 대 폭, 또는 접착제 포인트의 두께 대 지름의 달성 가능한 비율은 예컨대 0.5:1 내지 10:1이다.
전체 접착제량이 단일 층으로서 도포되는 통상적인 접착제 도포부와 비교할 때, 정해진 두께의 접착제 도포부를 위해 필요한 접착제의 양은 분명히 감소될 수 있으며, 그럼으로써 배터리 셀 내에서 활물질을 위해 더 많은 공간이 가용하게 되고, 그에 따라 바람직하게는 상응하는 배터리 셀의 출력 밀도도 향상된다.
접착제를 위한 각각의 도포 패턴이 하나 이상의 연속 접착제 라인을 포함하는 실시예들에서, 접착제에 의해 전극 유닛의 에지들에서 전극 유닛의 밀봉(sealing)도 수행될 수 있다. 이 경우, 도포된 접착제는, 그렇지 않으면 전극 유닛의 에지들에 별도로 배치되어야 할 수도 있는 밀봉재로서 이용된다. 에지들에서 전극 유닛을 밀봉함으로써, 본원의 전극 어셈블리를 포함하는 배터리 셀의 거동이 개선될 수 있는데, 그 이유는 그럼으로써 예컨대, 전극의 활물질 상부에 금속 리튬이 배치되는 리튬 도금(Lithium plating)이 저지되거나, 적어도 감소되기 때문이다.
또한, 연속 접착제 라인 형태의 접착 시임(adhesive seam)의 제공은 셀을 통과하는 입자들의 이동을 감소시킬 수 있으며, 그럼으로써 배터리 셀의 신뢰성이 더욱 상승한다. 접착 시임이 본원 전극 어셈블리에 추가적인 안정성을 부여한다는 점에서 또 다른 장점을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 도면들에 도시되고, 하기에서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 본원 방법의 제1 실시예의 개략적 사시도이다.
도 2는 본원 방법의 제1 실시예의 개략적 상면도이다.
도 3은 전극 어셈블리의 제1 실시예의 개략적 단면도이다.
도 4는 전극 어셈블리의 제2 실시예의 개략적 단면도이다.
도 5는 본원 방법의 제2 실시예의 개략적 사시도이다.
도 6은 본원 방법의 제2 실시예의 개략적 상면도이다.
도 2는 본원 방법의 제1 실시예의 개략적 상면도이다.
도 3은 전극 어셈블리의 제1 실시예의 개략적 단면도이다.
도 4는 전극 어셈블리의 제2 실시예의 개략적 단면도이다.
도 5는 본원 방법의 제2 실시예의 개략적 사시도이다.
도 6은 본원 방법의 제2 실시예의 개략적 상면도이다.
본 발명의 실시예들의 하기 설명에서, 동일한 컴포넌트들 및 요소들은 동일한 도면부호들로 표시되며, 일부의 경우 상기 컴포넌트들 또는 요소들의 반복적인 설명은 생략된다. 도면들에는 본 발명의 대상이 개략적으로만 도시되어 있다.
도 1에는, 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예가 개략적으로 도시되어 있으며, 도 1은 사시도이다.
도 1에서는, 제1 분리 필름(12)이 이송 방향(40)을 따라 이송되는 점이 확인된다. 제1 분리 필름(12)은, 예컨대 롤러 상에 수용되어 처리를 위해 권출되는 연속 재료의 형태로 공급된다. 제1 분리 필름(12)은 도 1에 도시된 제1 실시예에서, 3개의 스트립형 영역으로 나뉘며, 이때 제1 분리 필름(12)의 폭을 따라서, 다시 말해 이송 방향(40)에 대해 수직인 방향을 따라서 제1 분리 필름(12)은 열거한 순서로 제1 외부 영역(52), 내부 영역(54) 및 제2 외부 영역(56)을 포함한다. 이 경우, 제1 외부 영역(52)과 제2 외부 영역(56)은 접착제 도포가 수행될 영역들이다. 내부 영역(54)은 접착제가 없는 상태로 유지된다.
제1 접착제 도포(16)의 실행을 위해, 제1 외부 영역(52) 및 제2 외부 영역(56)에서 각각 하나의 연속 접착제 라인(48)을 도포할 2개의 제1 디스펜서(30)가 제공된다. 이송 방향(40)으로 볼 때 제1 디스펜서들(30)의 후방에, 제1 외부 영역(52)뿐만 아니라 제2 외부 영역(56)을 위해서도 각각 하나의 제1 광원(32)이 배치된다. 상기 제1 광원들(32)을 통해, 도포된 접착제를 부분 경화시키기에 적합한 UV 광이 방출된다. 제1 광원들(32)에 의해, 각각의 접착제 라인(48)이 부분 경화되며, 그럼으로써 접착제 라인들은 형태 안정적인 상태가 된다. 여기서 형태 안정적이란, 제1 디스펜서들(30)을 통해 도포된 연속 접착제 라인들(48)이 드리프트하지 않는다는 점, 즉, 접착제 라인(48)의 두께 대 접착제 라인(48)의 폭의 비율이 변하지 않는다는 점을 의미한다. 그러나 부분 경화된 접착제는 완전하게 경화되지는 않기 때문에, 후속하여 도포되는 접착제 라인(48)과 결합될 수 있다. 제1 디스펜서들(30)을 통해 도포되는 연속 접착제 라인들(48)은 제1 접착제 도포부(16)가다.
이송 방향(40)으로 볼 때, 접착제 라인들(48)의 부분 경화 단계 이후에, 제1 분리 필름(12)의 내부 영역(54) 상에 전극 유닛(20)이 배치된다. 전극 유닛(20)은 제1 활물질층(22), 집전체(24) 및 제2 활물질층(26)을 포함하며, 이에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조한다. 도 1에 도시된 실시예에서 전극 유닛(20)은 또한 전극 유닛(20)의 집전체(24)와 전기적으로 연결되어 있는 집전체 러그(28)를 포함한다. 이 경우, 집전체 러그(28)는 제1 분리 필름(12)보다 더 돌출함에 따라, 제1 디스펜서들(30)에 의해 도포된 접착제 라인(48) 혹은 제1 접착제 도포부(16) 위에 놓이게 된다.
돌출된 집전체 러그(28)를 제외하고, 전극 유닛(20)은 완전히 제1 분리 필름(12) 상의 내부 영역(54) 이내에 놓이며, 그럼으로써 전극 유닛(20)의 제1 활물질층(22)이 제1 분리 필름(12)과 직접 연결된다.
이송 방향(40)으로 볼 때, 전극 유닛(20)의 배치 이후에, 제2 디스펜서들(31)에 의해 접착제의 제2 도포 단계가 수행된다. 제2 도포 단계는, 다시 연속 접착제 라인들(48)이 배출되는 방식으로 수행되며, 상기 접착제 라인들은 제2 접착제 도포부(18)를 형성한다. 제2 접착제 도포(18)는 제1 접착제 도포(16)의 경우와 동일한 패턴으로 수행되며, 그럼으로써 제2 디스펜서들(31)을 통해 배출되는 연속 접착제 라인들(48)이 제1 디스펜서들(30)을 통해 배출된 연속 접착제 라인들(48)의 바로 위에 놓이게 된다. 오직, 집전체 러그(28)가 제1 접착제 도포부(16) 위에, 또는 제1 디스펜서들(30)을 통해 배출된 접착제 라인(48) 위에 놓이는 지점에서만, 제2 접착제 도포(18)가 집전체 러그(28) 위로 실시된다.
이송 방향(40)으로 볼 때, 접착제의 제2 도포 단계 후에 다시 접착제의 부분 경화 단계가 이어지며, 이를 위해 제1 외부 영역(52)뿐만 아니라 제2 외부 영역(56)을 위해서도 각각 하나의 제2 광원(33)이 제공된다. 제2 광원들(33)도 도포된 접착제를 부분 경화시키기에 적합한 UV 광을 방출한다.
제2 광원들(33)의 부분 경화 단계 이후에도, 제2 디스펜서들(31)을 통해 도포된 연속 접착제 라인들(48)은 형태 안정적이긴 하나, 그 아래에 놓인 연속 접착제 라인들(48) 및 후속하여 도포되는 제2 분리 필름(14)과 결합된다.
이송 방향(40)으로 볼 때, 제2 광원들(33)에 의한 부분 경화 단계 이후에, 제2 분리 필름(14)이 제공되어, 편향 롤(38)을 이용하여 전극 유닛(20) 위에, 그리고 제1 외부 영역(52) 및 제2 외부 영역(56) 내에 위치하는 접착제 도포부(16, 18) 위에 배치된다. 이 경우, 제1 접착제 도포부(16) 및 제2 접착제 도포부(18)을 매개로 제1 분리 필름(12)과 제2 분리 필름(14) 간의 결합이 수행된다.
제2 분리 필름(14)도 바람직하게는, 예컨대 롤러에 권취된 상태로 존재할 수 있고 처리를 위해 권출되는 연속 재료의 형태로 제공된다.
이렇게 하여 수득된 전극 어셈블리(10)는 갈바닉 소자(galvanic element)의 형성을 위한 추가 처리를 위해 추가 전극 어셈블리들과 조합될 수 있는데, 이를 위해 제조된 전극 어셈블리(10)는 예컨대, 2개의 분리 필름(12, 14) 사이에 매립되는 방식으로 각각 하나의 단일 전극 유닛(20)을 포함하는 개별 피스들로 분할되거나, 전극 어셈블리(10)가 각각 2개의 전극 유닛(20) 사이에 존재하는 절첩선들(folding line)을 따라 절첩될 수 있다.
선택적으로, 제2 분리 필름(14)의 배치 단계에 이어서, 도포된 접착제의 완전 경화 단계가 수행될 수 있다. 이를 위해, 이송 방향(40)으로 볼 때, 제1 외부 영역(52)뿐만 아니라 제2 외부 영역(56)을 위해서도, 접착제를 완전 경화시키도록 구성된 UV 광을 방출하는 각각 하나의 제3 광원(34)이 배치될 수 있다.
UV 광에 의해 경화되는 접착제 대신, 열 작용에 의해 경화되는 접착제가 사용되는 또 다른 실시예들에서는, 광원들(32, 33, 34) 대신 각각 하나의 열원이 배치될 수 있다. 이러한 유형의 열원들은 예컨대 IR 방열기로서 형성될 수 있다.
도 2에는, 도 1에 개략적으로 도시된 제1 실시예의 제조 방법이 상면도로 도시되어 있다. 도 2에서의 도면에서는, 도시된 실시예에서 제1 디스펜서들(30)을 통한 제1 접착제 도포(16)뿐만 아니라 제2 디스펜서들(31)을 통한 제2 접착제 도포(18)도 동일한 도포 패턴에 따라 수행됨으로써, 각각의 디스펜서(30, 31)를 통해 도포된 연속 접착제 라인들(48)이 상하 적층되는 점이 명확해진다.
도포된 접착제 라인들(48)은 제1 외부 영역(52) 및 제2 외부 영역(56)에 위치해 있다. 제1 외부 영역(52)과 제2 외부 영역(56) 사이에 놓인 내부 영역(54)은 접착제가 없는 상태로 유지된다. 전극 유닛(20)은, 자신의 집전체 러그(28)를 제외하고, 완전히 제1 분리 필름(12) 상의 내부 영역(54) 이내에 놓인다.
도 3에는, 제1 실시예에 따른 전극 어셈블리(10)의 단면도가 도시되어 있다. 이 경우, 도 3의 도면은 완전하지 않으며, 전극 어셈블리(10)에서 제1 외부 영역(52)과 내부 영역(54)의 일부를 포함하는 부분만 도시되어 있다.
도 3의 도면에서는, 제1 활물질층(22), 집전체(24) 및 제2 활물질층(26)을 포함하는 전극 유닛(20)이 제1 분리 필름(12) 상에 놓여 있고, 전극 유닛(20)의 제1 활물질층(22)은 제1 분리 필름(12)과 직접 연결되어 있는 점을 추론할 수 있다. 이 경우, 제1 활물질층(22)은 제1 분리 필름(12) 위의 내부 영역(54) 안에만 놓인다.
가시적인 제1 외부 영역(52)에서는, 두께(d) 및 폭(b)을 갖는 제1 접착제 도포부(16)가 확인된다. 이 경우, 제1 활물질층(22)의 두께와 동일한 두께(d)는 폭(b)보다 약간 더 작다. 도 3에 도시된 전극 유닛 내에서 접착제 도포부의 두께(d)는 도포 단계 직후의 두께와 상이할 수 있다. 특히 활물질층의 두께보다 더 큰 두께를 갖는 접착제 도포부의 경우, 추가 접착제 도포부들을 통해, 그리고/또는 제2 분리 필름(14)의 배치 단계를 통해 접착제의 변형이 수행되며, 각각의 폭의 증가를 통해 제1 내지 제2 접착제 도포부(16, 18)의 두께가 전극 유닛(20)의 전체 두께에 매칭된다.
전극 유닛(20)의 집전체 러그(28)는 제1 분리 필름(12)보다 더 돌출되며, 도 3에서의 단면도에서 제1 접착제 도포부(16) 위에 놓여 있다.
제1 접착제 도포부(16)의 반대편을 향해 있는 집전체 러그(28)의 측면에는 제2 접착제 도포부(18)이 배치되며, 제2 접착제 도포부(18)의 두께(d)는 다시 제2 활물질층(26)의 두께와 일치한다.
제2 분리 필름(14)은 전극 유닛(20)의 제2 활물질(26)에 직접 연결되며, 마찬가지로 전극 어셈블리(10)의 적층 방향으로 제2 접착제 도포부(18)을 덮고, 그럼으로써 제1 접착제 도포부(16) 및 제2 접착제 도포부(18)에 의해 제2 분리 필름(14)과 제1 분리 필름(12)의 접착이 수행된다.
도 4에는, 본 발명에 따른 전극 어셈블리(10)의 제2 실시예가 도시되어 있다. 도 3을 참조하여 기술한 전극 어셈블리(10)의 실시예에 비해, 도 4의 제2 실시예에서는, 제1 접착제 도포부(16) 및 제2 접착제 도포부(18)이 각각 제1 층(42) 및 제2 층(43)의 형태로 구현되어 있다. 접착제의 다중층 도포를 통해, 제1 접착제 도포부(16) 및 제2 접착제 도포부(18)은, 개별 층들(42, 43)의 두께들(d)로 구성되는 전체 두께(D)를 갖는다. 전체 두께(D)는 제1 접착제 도포부(16) 또는 제2 접착제 도포부(18)의 폭(b)보다 훨씬 더 크다. 이 경우, 개별 층들(42, 43)의 두께, 제1 접착제 도포부(16) 또는 제2 접착제 도포부(18)의 전체 두께(D) 및 폭(b)과 관련한 수치들은 각각 제2 분리 필름(14)이 배치된 이후의 상태와 관련된다.
도 5에는, 본원 방법의 제2 실시예가 개략적 사시도로 도시되어 있다.
도 1을 참조하여 기술한 본원 방법의 실시예와 비교하여, 접착제의 제1 및 제2 도포 단계가 디스펜서(30, 31)를 이용하여 수행되는 것이 아니라, 도포 헤드들(44, 46)에 의해 수행된다. 제1 도포 헤드들(44)을 통해, 분리 필름(12) 상으로 제1 외부 영역(52)과 제2 외부 영역(56) 모두에 제1 접착제 도포(16)가 수행되며, 접착제는 하나의 라인을 따라 배열된 접착제 포인트들(50)을 포함하는 패턴의 형태로 배출된다. 이송 방향(40)으로 볼 때, 제1 도포 단계 이후에 제1 부분 경화 단계가 이어지며, 이를 위해 다시 제1 광원들(32)이 이용된다. 부분 경화 단계 이후에, 전극 유닛(20)은 제1 분리 필름(12) 위에 배치되고, 다시 제1 활물질층(22)이 완전히 내부 영역(54) 안에 배치되어 제1 분리 필름(12)과 직접 연결된다. 집전체 러그(28)는 다시 제1 분리 필름(12)보다 더 돌출되며, 경우에 따라 제1 접착제 도포부(16)의 접착제 포인트들(50) 중 하나 또는 여러 개 위에 놓일 수 있다.
전극 유닛(20)의 배치 단계에 이어서, 제2 도포 헤드들(46)에 의해 수행되는 접착제의 제2 도포 단계가 수행된다. 제2 도포 단계를 위해서도 동일한 도포 패턴이 사용되며, 그럼으로써 제2 접착제 도포부(18)의 접착제 포인트들(50)은 제1 접착제 도포부(16)의 접착제 포인트들(50)과 일치하도록 도포되고, 그에 따라 제1 접착제 도포부 위에 놓이게 된다. 그에 이어서 접착제의 제2 부분 경화 단계가 수행되며, 이를 위해 다시 제2 광원들(33)이 이용된다. 그에 이어서, 제2 분리 필름(14)의 배치 단계가 수행되고, 제2 분리 필름(14)은 다시 편향 롤(38)에 의해 전극 유닛(20)의 제2 활물질층(26)과, 제1 외부 영역(52) 또는 제2 외부 영역(56) 내에 존재하는 접착제 상으로 밀착된다.
경우에 따라, 제3 광원(34)을 이용하여 접착제의 완전 경화 단계가 후속 실시된다.
도 6에는, 제조 방법의 제2 실시예가 개략적인 상면도로 도시되어 있다. 본 도면에서는 접착제 포인트들(50)이 각각 제1 외부 영역(52)과 제2 외부 영역(56)에 도포됨으로써, 내부 영역(54)은 접착제가 없는 상태로 유지되는 점이 잘 확인된다. 여기서, 전극 유닛(20)은, 자신의 집전체 러그(28)를 제외하고, 완전히 제1 분리 필름(12) 상의 내부 영역(54) 안에 놓여 있다.
본 발명은 본원에 기술된 실시예들 및 거기서 강조된 양태들로 제한되지 않는다. 오히려, 청구범위를 통해 명시된 범위 내에서 통상의 기술자의 행동의 범주에 있는 다수의 변형이 가능하다.
Claims (10)
- 전극 어셈블리(10)를 제조하기 위한 방법으로서,
a. 제1 분리 필름(12)을 공급하고 이송 방향을 따라 이송하는 공급 단계,
b. 제1 분리 필름(12) 상에 사전 설정된 제1 도포 패턴에 따른 접착제의 제1 도포 단계로서, 제1 접착제 도포부(16)가 생성되는 단계,
c. 단계 b)에서 도포된 접착제를 적어도 부분적으로 경화시키는 단계,
d. 전극 유닛(20)을 제공하고 제1 분리 필름(12) 상에 배치하는 단계로서, 전극 유닛(20)은 제1 활물질층(22), 집전체(24) 및 제2 활물질층(26)을 열거한 순서로 포함하고, 제1 활물질층(22)은 제1 분리 필름(12)에 직접 인접하는, 단계,
e. 사전 설정된 제2 도포 패턴에 따른 접착제의 제2 도포 단계로서, 적어도 부분적으로 제1 접착제 도포부(16) 상에 배치되는 제2 접착제 도포부(18)가 생성되는 단계,
f. 단계 e)에서 도포된 접착제를 적어도 부분적으로 경화시키는 단계, 및
g. 제2 분리 필름(14)을 제공하고 전극 유닛(20)의 자유면 상에 배치하는 단계로서, 제2 분리 필름(14)은 단계 b) 및 e)에서 도포된 접착제에 의해 제1 분리 필름(12)과 결합되는, 단계
를 포함하고,
상기 제1 및 제2 도포 패턴은 (i) 상기 이송 방향을 따라 연장되는 하나 또는 복수의 연속 접착제 라인(48) 또는 (ii) 상기 이송 방향을 따라 연장되는 하나의 라인을 따라 배열되는 개별 접착제 포인트들(50)을 포함하는, 전극 어셈블리의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 단계 b)에 후속하는 단계들의 실행 전 제1 접착제 도포부(16)의 두께는 제1 활물질층(22)의 두께의 80% 내지 120%의 범위이고, 그리고/또는 단계 e)에 후속하는 단계들의 실행 전 제2 접착제 도포부(18)의 두께는 제2 활물질층(26)의 두께의 80% 내지 120%의 범위인 것을 특징으로 하는, 전극 어셈블리의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 도포 단계에서 그리고/또는 제2 도포 단계에서, 접착제는 각각 하나의 층(42)으로 또는 복수의 층(42, 43)의 형태로 도포되며, 복수의 층(42, 43)의 도포 시, 각각의 층(42, 43)에 대해 동일한 도포 패턴이 사용되고, 그럼으로써 층들(42, 43)이 서로 상하 적층되는 것을 특징으로 하는, 전극 어셈블리의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 전극 유닛(20)은 집전체(24)와 연결된 집전체 러그(28)를 포함하고, 상기 집전체 러그는 단계 d)에 따른 배치 이후에 제1 분리 필름(12)보다 더 돌출되며, 필요한 경우 단계 b)에 따라 도포된 접착제 상에 적어도 부분적으로 놓이는 것을 특징으로 하는, 전극 어셈블리의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 g)에 따른 제2 분리 필름(14)의 배치 이후에, 추가 단계 h)에서 접착제의 추가 경화가 실시되는 것을 특징으로 하는, 전극 어셈블리의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 단계 c) 및/또는 f)에 따른 접착제의 적어도 부분적인 경화, 및/또는 단계 h)에 따른 추가 경화는 UV 방사선을 이용하여 실시되는 것을 특징으로 하는, 전극 어셈블리의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 따른 방법으로 제조된 전극 어셈블리(10).
- 제1항 또는 제2항에 따른 방법으로 제조된 하나 이상의 전극 어셈블리(10)를 포함하는 배터리 셀.
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