KR200215592Y1 - 리튬 2차전지 젤리 롤의 제조 시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 리튬 2차전지 젤리 롤(Jelly Roll) 제조공정중 권취 과정 및 압착 과정을 고온에서 수행함으로써, 극판의 꺾이는 부분에서 발생할 수 있는 부러짐 및 크랙(Crack) 발생을 방지할 수 있는 리튬 2차전지 젤리 롤의 제조 시스템에 관한 것이다.

구체적으로, 본 고안은 젤리 롤 제조 시스템 중, 가이드 롤러(Guide Roller)와 멘드렐에 히터를 내장함과 동시에 열풍을 불어줌으로써 권취 과정을 고온에서 수행할 수 있도록 고안된 리튬 2차전지 젤리 롤의 권취 시스템, 및 압착기(Press)에 히터를 내장함과 동시에 열풍을 불어줌으로써 압착 과정을 고온에서 수행할 수 있도록 고안된 리튬 2차전지 젤리 롤의 압착 시스템에 관한 것이다.

Description

리튬 2차전지 젤리 롤의 제조 시스템 {Manufacturing System for Jelly Roll of Lithium Reusable Battery}

전지는 원래 내부에 들어 있는 화학물질의 전기화학적 산화-환원 반응시 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 말하는 것으로서, 그 사용상 특성에 따라 전지속의 에너지가 고갈되면 폐기해야 하는 1차(disposable)전지와 계속 충전하면서 여러번 재사용이 가능한 2차(reusable)전지로 구분할 수 있다.

최근들어 전자, 통신, 컴퓨터 산업 등의 급속한 발전에 힘입어 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC 등 휴대용 전자제품의 사용이 일반화됨으로써, 가볍고 오래 사용할 수 있으며 신뢰성이 높은 고성능의 소형 2차전지 개발이 절실히 요청되고 있는데, 이러한 수요에 상응하여 많은 관심과 각광을 받고 있으며, 현재 일부 상용화되어 있는 것이 바로 리튬 2차전지이다.

리튬은 지구상에 존재하는 금속중 가장 가볍기 때문에 단위 질량당 전기용량이 가장 크며, 전기음성도가 가장 커서 전압이 높은 전지를 만들 수 있다. 따라서, 제한된 양의 화학물질로 최대한의 에너지를 낼 수 있도록 해야하는 전지에서는 가장 잠재력이 큰 음극물질로 오래전부터 연구되어 오고 있었다.

이와 같은 리튬을 이용한 2차전지는 사용되는 전해질의 형태에 따라 유기용매 전해질을 사용하는 리튬 금속전지 및 리튬 이온전지와 고분자 전해질을 이용하는 리튬 폴리머전지로 나눌 수 있다.

이중 리튬 금속전지는 낮은 사이클 수명과 심각한 안정성의 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있으며, 이를 극복하기 위한 수단으로 리튬금속 대신 음극으로 카본을 사용하는 리튬 이온전지가 개발되어 상용화되었다.

리튬 폴리머전지는 액체전해질형 리튬 이온전지의 단점인 안정성 문제, 제조비용의 고가, 대형화의 어려움 등의 문제를 해결할 수 있는 전지로 판단되지만 상용화되기 위해서는 전기화학적 안정성, 높은 전도도 등 기술적 문제를 해결해야만 가능하다.

상기 리튬 2차전지들의 단점을 극복하기 위해 개발된 파우치형 리튬 이온전지는 리튬 이온전지와 리튬 폴리머전지의 장점을 조합한 형태의 전지로서, 양극과 음극을 격리막(Separator)으로 격리한 형태로 권취(Winding)한 상태의 전지 셀(Cell)을 철제(Steel) 캔 및 알루미늄(Al) 캔과 같은 금속 캔 대신에 리튬 폴리머전지의 외장재로 쓰이는 파우치(Pouch)에 수납함으로써, 안정성을 한층 높임과 동시에 경량화에 유리하다는 장점을 가지고 있다.

이와 같은 파우치형 리튬 2차전지는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 양극(10), 음극(20) 및 격리막(30)이 롤(Roll) 형태로 권취된, 젤리 롤(Jelly Roll)이라 불리우는 전지 셀을 파우치에 수납한 후 상온에서 융착하여 밀봉(sealing) 함으로써 제조된다.

그러나, 이와 같은 종래의 젤리 롤 제조공정은 몇 가지 문제점들을 발생시킬 수 있는 소지를 안고 있는데, 도 1을 참고로 하여 이와 같은 문제점들을 살펴보면 다음과 같다.

도 1과 같은 각형 젤리 롤 제조시 전극으로 양극 극판(10)과 음극 극판(20)을 사용하고, 절연체로 폴리프로필렌(PP) 혹은 폴리에틸렌(PE) 재질의 격리막(30)을 사용하여 두 극판을 이격시킨 후 롤 형태로 권취하게 된다. 상기한 바와 같이 이 감긴 롤을 통상 젤리 롤이라고 부르며 이 공정을 권취공정이라 한다.

그 다음 단계로, 양극과 음극간의 거리를 최소한으로 좁혀 완성품 전지의 크기를 최대한 줄이고 전지 형태를 각형으로 만들기 위해서 면적이 넓은 방향을 힘을 가해 누르게 되는데 이 공정을 젤리 롤 압착(Press)공정이라 한다.

그런데, 각형이라는 전지 구조상 극판(양극 및 음극)이 권취되는 초기부분에서 극판이 꺽이는 부분의 곡률이 작기 때문에 그 부분에서 극판 표면에 크랙(Crack)이 발생하거나 극판이 부러지는 현상이 발생한다.

이와 같이 크랙이 발생하게 되면 그 부분의 양극 활물질 혹은 음극 활물질이 탈락하게 되어 탈락된 활물질 가루에 의한 미세 단락(Short)이 발생할 가능성이 있으며, 탈락된 부분의 활물질 양이 부족하게 되어 충전 및 방전을 진행할 경우 용량차에 의해 리튬금속이 석출되게 됨으로써 용량저하와 수명저하가 발생할 수 있다.

이렇게 극판의 권취 과정 및 젤리 롤의 압착 과정에서 젤리 롤 가장 안쪽의 극판이 꺽이는 부분이 부러지거나 크랙이 발생하여 전지의 단락을 초래하게 되는 것은 상기한 종래기술의 젤리 롤 권취 및 압착 공정이 상온에서 진행되는 것에서 기인하는 것으로, 이와 같이 극판에 부러진 부분이나 크랙이 발생하고, 이에 따라 전지의 충, 방전이 일어나는 동안 크랙 부분에서 리튬이 석출되어 전지의 수명을 저하시키는 등의 문제점이 발생하게 되면, 이는 충방전을 계속하면서 장시간 사용하는 2차전지 고유의 특성상 치명적인 약점이라고 할 수 있는 것이다.

본 고안은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하고자 하는 것으로서, 그 목적은 리튬 2차전지 젤리 롤의 제조시 젤리 롤 가장 안쪽의 극판이 꺽이는 부분에서 부러지거나 크랙이 발생하는 현상을 방지할 수 있는 젤리 롤의 제조 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

이를 위한 본 고안은 리튬 2차전지 젤리 롤 제조 시스템 중, 가이드 롤러(Guide Roller)와 멘드렐에 히터를 내장함과 동시에 열풍을 불어줌으로써 권취 과정을 고온에서 수행할 수 있도록 고안된 리튬 2차전지 젤리 롤의 권취 시스템과, 압착기(Press)에 히터를 내장함과 동시에 열풍을 불어줌으로써 압착 과정을 고온에서 수행할 수 있도록 고안된 리튬 2차전지 젤리 롤의 압착 시스템을 제공하는 것으로 이루어진다.

도 1은 일반적인 리튬 2차전지용 젤리 롤의 단면도.

도 2는 종래의 젤리 롤 권취 시스템을 나타낸 개략도.

도 3은 본 고안 권취 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도.

도 4는 본 고안 권취 시스템의 다른 실시예를 나타낸 개략도.

도 5는 본 고안 압착 시스템의 일 실시예를 나타낸 단면도.

도 6은 본 고안 압착 시스템의 다른 실시예를 나타낸 단면도.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10: 양극판 20: 음극판

30: 격리막 40: 가이드 롤러

50: 멘드렐 60, 60': 히터

70, 70': 열풍 송풍기 80; 압착봉

90: 받침판

본 고안은 젤리 롤 제조시, 젤리 롤 가장 안쪽의 극판이 꺾이는 부분이 부러지거나 크랙이 발생하는 것을 방지해줄 수 있는 리튬 2차전지 젤리 롤의 제조 시스템에 관한 것이다.

구체적으로, 본 고안은 젤리 롤 제조공정중 권취 과정 및 압착 과정을 고온에서 수행함으로써, 극판의 꺾이는 부분에서 발생할 수 있는 부러짐 및 크랙을 방지할 수 있는 리튬 2차전지 젤리 롤의 권취 시스템 및 압착 시스템에 관한 것이다.

극판의 성분에는 충, 방전시 전류를 발생시키는 활물질과 이들 활물질간, 활물질과 기재간을 접착상태로 유지시켜 주기 위한 바인더가 있다.

이중 바인더는 열이 가해지면 부드러워지는 특성을 가지고 있는데, 본 고안에서는 바인더의 이와 같은 특성을 이용하여 권취시 열을 가해 극판의 상태를 부드럽게 함으로써 권취시 극판이 꺾이는 부분에서 극판 표면이 부러지거나 크랙이 발생하지 않도록 하게 된다.

이하, 도 2∼6를 참고로 하여 본 고안을 자세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 하나의 리튬 2차전지용 젤리 롤을 제조하기 위해서는 양극판(10), 음극판(20) 및 2개의 격리막(30)을 멘드렐로 안내함과 동시에 장력을 유지해주기 위한 4개의 가이드 롤러(Guide Roller)(40)와 이렇게 가이드 롤러(40)로부터 안내된 양 극판(10)(20)과 2개의 격리막(30)을 권취하기 위한 하나의 멘드렐(50)을 필요로 하는데, 이렇게 가이드 롤러(40)에 의해 적당한 장력이 유지되면서 멘드렐(50)로 안내된 양 극판(10)(20)과 2개의 격리막(30)은 멘드렐(50)에 의해 권취된 후 압착기에 의해 압착됨으로써 상기 도 1과 같은 젤리 롤의 형태를 갖추게 된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 고안의 시스템에서는 상기 4개의 가이드 롤러(40) 및 멘드렐(50)의 내부에 히터(60)를 장착함으로써, 양 극판(10)(20)이 가이드 롤러(40)에 의해 장력이 유지되면서 멘드렐(50)에 안내되는 과정 및 멘드렐(50)에 의해 권취되는 과정이 40∼100℃의 고온에서 수행될 수 있도록 한다.

또한, 본 고안의 시스템에서는 양 극판(10)(20)과 격리막(30)이 가이드 롤러(40)로부터 멘드렐(50)로 안내되는 동안에도 고온 상태가 유지되도록 하기 위하여 전체 권취 시스템의 여러 방향에서 열풍 송풍기(blower)(70)를 설치하여 열풍을 불어줌으로써 고온 환경을 조성한다.

이때, 도 4에 나타낸 바와 같이, 양 극판(10)(20)과 격리막(30)이 권취되는 멘드렐(50) 부분을 박스(Box)화하여 따로 격리해 개별적인 송풍기(blower)(70)를 이용하여 열풍을 가함으로써, 권취되는 극판 표면에 균일하게 열이 전달되도록 하면, 본 고안의 시스템이 목적하는 극판의 부러짐이나 크랙발생 억제 기능을 더욱 더 향상시킬 수 있게 된다.

가이드 롤러와 멘드렐에 의해 권취된 젤리 롤은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 그 부피를 줄이거나 각형 전지를 제조하기 위해 압착기에 의해 압착되는데, 본 고안에서는 이때 사용되는 압착봉(80)과 받침대(90)에도 히터(60')를 설치하여 열을 가해줌으로써 고온 상태를 유지하게 된다.

이와 같은 압착시스템 역시, 도 6에 나타낸 바와 같이, 박스화하여 격리하고 열풍송풍기(70')를 이용하여 열풍을 불어주면 극판의 부러짐 및 크랙 발생을 방지하는 데에 더 효과적이라고 할 수 있다.

이와 같이 장치된 본 고안의 권취 및 압착 시스템을 젤리 롤 제조공정에 적용한 결과, 권취 공정에서 발생할 수 있는 활물질 탈락을 줄임으로써 미세 단락의 발생을 줄여 전지의 양품률을 크게 향상시켰는데, 구체적으로, 이와 같은 미세 단락에 의한 불량률을 약 1%에서 0.3% 이하로 줄일 수 있었다.

또한, 크랙에 의해 활물질이 탈락된 부분에서의 리튬 석출을 억제함으로써 충방전시 전지의 효율을 91%에서 93%로 향상시키는 것으로 나타났고, 이에 따라 전지의 수명특성을 개선할 수 있음을 알 수 있었다.

이와 함께, 지속적인 충, 방전에 의해 석출된 리튬금속의 성장으로 인해 발생하는 전지의 불량률을 0.5%에서 0.3% 이하로 줄일 수 있었다.

이상과 같이 본 고안이 완성되어 종래 기술의 문제점을 극복할 수 있게 됨으로써, 리튬 2차전지 젤리 롤의 제조시 젤리 롤 가장 안쪽의 극판이 꺽이는 부분에서 부러지거나 크랙이 발생하는 현상을 방지할 수 있는 젤리 롤의 제조 시스템을 제공할 수 있게 되었다.

또한, 이와 같이 극판의 부러짐이나 크랙 발생을 억제할 수 있게 됨으로써, 권취 공정에서 발생할 수 있는 활물질 탈락 현상을 줄이고 미세 단락의 발생을 줄여 전지의 양품률을 크게 향상시킬 수 있으며, 크랙에 의해 활물질이 탈락된 부분에서의 리튬 석출을 억제함으로써 충방전시 전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 전지의 수명특성을 개선할 수 있게 되었고, 방전에 의해 석출된 리튬금속의 성장으로 인해 발생하는 전지의 불량률도 크게 줄일 수 있게 되었다.

Claims (5)

1. 양극판(10), 음극판(20) 및 2개의 격리막(30)을 멘드렐(50)로 안내함과 동시에 안내시 장력을 유지해주기 위한 가이드 롤러(40)와 가이드 롤러(40)에 의해 안내된 양극판(10), 음극판(20) 및 2개의 격리막(30)을 권취하기 위한 멘드렐(50)로 구성되는 리튬 2차전지 젤리 롤의 권취 시스템에 있어서,

   상기 가이드 롤러(40) 및 멘드렐(50)에 히터(60)가 내장됨을 특징으로 하는,

   리튬 2차전지 젤리 롤의 권취 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   권취 시스템 내의 권취 환경을 고온으로 유지해주기 위한 열풍 송풍기(70)가 더 구비됨을 특징으로 하는,

   리튬 2차전지 젤리 롤의 권취 시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   멘드렐(50)이 개별적인 박스 내에 격리되며, 격리된 박스 내에는 권취 환경을 고온으로 유지하기 위한 열풍 송풍기(70)가 구비됨을 특징으로 하는,

   리튬 2차전지 젤리 롤의 권취 시스템.
4. 압착봉(80) 및 받침판(90)으로 구성되는 리튬 2차전지 젤리 롤의 압착 시스템에 있어서,

   압착봉(80) 및 받침판(90)에 히터(60')가 내장됨을 특징으로 하는,

   리튬 2차전지 젤리 롤의 압착 시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   압착 시스템 내의 압착 환경을 고온으로 유지해주기 위한 열풍 송풍기가 더 구비됨을 특징으로 하는,

   리튬 2차전지 젤리 롤의 압착 시스템.