KR20070092380A

KR20070092380A - 고속 전해액 주입 장치

Info

Publication number: KR20070092380A
Application number: KR1020060022428A
Authority: KR
Inventors: 장성욱; 양영주; 한정주
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-09-13
Also published as: KR101285955B1

Abstract

본 발명은 고속 전해액 주입 장치에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 고압 챔버 가압 방식을 적용하여 전해액 주입 속도를 획기적으로 향상시키면서 대량 생산에 용이한 캐리어 타입의 전해액 주입 방식을 적용할 수 있는 고속 전해액 주입 장치를 제공하는데 있다.

이를 위해 본 발명에 의한 해결 방법의 요지는 적어도 하나의 전지 셀을 고정시키되, 전지 셀중 주액구는 개방시키는 가압 챔버와, 가압 챔버의 상부에 고정 부재로 고정되는 챔버 상판과, 챔퍼 상판을 관통하여 전지 셀의 주액구에 연결되는 주액 노즐과, 주액 노즐의 상단에 결합되는 주액 호퍼와, 주액 호퍼의 내측에 결합되어, 주액 노즐을 개폐하는 노즐 개폐 밸브와, 주액 호퍼의 일측에 결합되어, 주액 노즐이 개방된 상태에서 전지 셀을 진공 상태로 만들고, 주액 노즐이 폐쇄된 상태에서 주액 호퍼에 전해액이 수용되면 주액 호퍼 내측을 대기 상태로 만들어 상기 주액 노즐이 개방되면 전해액이 전지 셀로 자연스럽게 주액되도록 하며, 이어서 주액 호퍼에 소정 가압력을 제공하여 남아 있는 전해액이 강제로 전지 셀에 주액되도록 하는 제1포트를 포함하여 이루어진 고속 전해액 주입 장치가 개시된다.

전해액, 주액, 가압 챔버, 캐리어, 전지 셀

Description

고속 전해액 주입 장치{High speed electrolyte injecting device}

도 1a 및 도 1b는 종래의 전해액 주입 장치를 각각 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 고속 전해액 주입 장치를 도시한 단면도이다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 고속 전해액 주입 장치중 가압 챔버와 챔버 상판 사이의 결합 상태를 설명하기 위한 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 고속 전해액 주입 장치의 작동 순서를 단계적으로 도시한 플로우 챠트이다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 고속 전해액 주입 장치의 작동 순서를 단계적으로 도시한 설명도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100; 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치

101; 전지 셀 102; 주액구

103; 전해액 공급기 110; 가압 챔버

111; 플랜지 112; 제1통공

113; 제2통공 114; 전지 셀 지그

120; 챔버 상판 121; 밀폐 부재

122; 요홈 123; 통공

130; 고정 부재 131; 슬라이드

132; 고정핀 140; 주액 노즐

150; 주액 호퍼 160; 노즐 개폐 밸브

170; 주액 호퍼 캡 180; 제1포트

190; 제2포트

본 발명은 고속 전해액 주입 장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 전지의 전해액 주입 공정에서 고압 및 가압 방식으로 전해액을 주입하여 주액 시간을 단축하고, 또한 고압 챔버의 분리 및 결합이 용이한 고속 전해액 주입 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전지(예를 들면, 리튬 이온 이차 전지)의 전해액 주액 공정은 진공-->주액-->대기 또는 가압의 순서로 진행된다. 이러한 전지는 그 주액 속도를 높이기 위해서는 스테이지 고정 타입의 고압 챔버 가압 방식을 사용하거나, 또는 그 생산량을 증가시키기 위해 캐리어 타입의 주액 방식을 사용하고 있다.

상기 고압 챔버 가압 방식의 전해액 주입 장치가 도 1a에 도시되어 있고, 캐리어 타입의 전해액 주입 장치가 도 1b에 도시되어 있다.

도 1a에 도시된 바와 같이 고압 챔버 가압 방식의 전해액 주입 장치에서는 먼저 적층 구조의 전극군(4)이 삽입된 전지 케이스(1)를 셀 지그(10)에 삽입한다. 이어서 주액 실린더(20)에 전해액(3)을 채우고 주액 피스톤(12)을 액면 상부까지 하강시킨다. 이어서 적층 구조의 전극군(4)이 삽입되는 케이스(1)의 외측을 기밀실(14)로 밀폐하고, 기밀실(14)의 내부를 감압한다. 이어서 케이스(1)와 전극군(4)의 내부가 진공상태가 되면, 노즐(9)의 패킹(18)을 소경충전공(2)에 밀착시킨다. 이어서 주액 피스톤(12)을 하강시켜, 전해액(3)을 주입하고, 동시에 기밀실(14) 내부도 가압하여 전지 케이스(1)의 내외부 압력차로 인한 케이스(1)의 변형이 방지되도록 한다.(일본 공개특허공보 평10-55808, 공개일 1998년 2월 23일 참조)

그러나, 이와 같이 주액 속도를 높이기 위한 스테이지 고정 타입의 고압 챔버 가압 방식을 사용하게 되면, 생산량을 높이기 위해 스테이지 수를 늘려야 하고, 이에 비례하여 장비 크기가 거대해져야 하는 단점이 있다. 즉, 이러한 가압 방식은 고정식이기 때문에 주액 속도는 빠르지만 생산량을 늘리기 위해서는 많은 단위 가압 설비들이 배열되어야 한다. 따라서, 장비 설치 면적이 커지며 유지 보수가 어려워지는 문제가 있다.

한편, 도 1b에 도시된 바와 같이 캐리어 타입의 전해액 주입 장치는 먼저 워크 셋 캐리어(2)에 전지 캔(3)을 투입한다. 이어서 주액 캐리어(1)의 위치 결정핀(7)과 워크 셋 캐리어(2)의 조립 핀 블록(8)의 기준 홀을 상호 맞춘다. 이때, 저류 포트(12)의 선단부에 있는 패킹(10)이 전지 캔(2)을 누르는 것에 의해, 패킹(10)에는 셋 스테이지(9)를 유지하고 있는 가압 스프링(11)의 인장력이 더해지고, 패킹(10)과 전지 캔(3)의 기밀성이 유지된다. 또한, 클램프(6)가 워크 셋 캐리어(2)에 걸리면서 락킹이 된다. 결합이 완료되면 저류 포트(12)의 내부에 전해액을 정량 토 출 펌프에 의해 토출한다. 여기서, 반송되는 캐리어는 체인 컨베이어에 탑재되고, 상부에는 전해액을 주액하기 위한 캐리어를 감압, 가압 및 대기 개방할 수 있는 함침 헤드가 복수개 설치된다.(일본 공개특허공보 2003-022799, 공개일 2003년 1월 24일 참조)

그러나, 이러한 종래의 캐리어 타입의 주액 방식 역시 일정한 시간 간격으로 캐리어를 이동시켜야 하는 구조적 문제로 인하여 챔버 방식에서와 같은 고압 챔버 가압 방식을 적용하기 어렵다. 따라서 이러한 캐리어 타입의 주액 방식은 주액 속도가 매우 낮은 단점이 있다. 더욱이, 이러한 캐리어 타입의 주액 방식은 주액 호퍼가 개방되어 있기 때문에 함침 헤드가 결합된 순간에만 가압을 적용할 수 있다. 결국 이러한 캐리어 타입의 주액 방식은 캐리어가 반송되는 도중 가압이 바로 해지되기 때문에, 전해액 주입이 비효율적으로 이루어지는 문제가 있다.

또한, 종래의 이러한 캐리어 타입의 주액 방식은 전지의 진공후 주액 호퍼에 전해액을 주입하여 전지의 내외부 압력 차이에 의하여 전해액을 주입한다. 이러한 방식은 초기 주액 속도는 빠르지만 압력 차이가 점점 감소하므로 초기 주액량에는 한계를 가진다. 이때 주액 호퍼에 남은 전해액 잔량은 모세관 현상에 의해 스스로 함습이 되도록 방치하거나, 전지가 변형되지 않는 범위내에서 저압의 가압을 사용하여 남은 전해액을 주입하게 된다. 따라서 이러한 종래의 방식은 전해액 주액 속도가 느리므로 전지의 변형을 일으키지 않는 고압의 가압 방식이 필요하다 하겠다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적 은 고압 챔버 가압 방식을 적용하여 전해액 주입 속도를 획기적으로 향상시키면서 대량 생산에 용이한 캐리어 타입의 전해액 주입 방식을 적용할 수 있는 고속 전해액 주입 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 최대한 단순한 구조로 고압 챔버의 개폐가 가능하고 동시에 안정성을 보장하는 고속 전해액 주입 장치를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 적어도 하나의 전지 셀을 고정시키되, 상기 전지 셀중 주액구는 개방시키는 가압 챔버와, 상기 가압 챔버의 상부에 고정 부재로 고정되는 챔버 상판과, 상기 챔퍼 상판을 관통하여 상기 전지 셀의 주액구에 연결되는 주액 노즐과, 상기 주액 노즐의 상단에 결합되는 주액 호퍼와, 상기 주액 호퍼의 내측에 결합되어, 상기 주액 노즐을 개폐하는 노즐 개폐 밸브와, 상기 주액 호퍼의 일측에 결합되어, 상기 주액 노즐이 개방된 상태에서 전지 셀을 진공 상태로 만들고, 상기 주액 노즐이 폐쇄된 상태에서 주액 호퍼에 전해액이 수용되면 상기 주액 호퍼 내측을 대기 상태로 만들어 상기 주액 노즐이 개방되면 전해액이 전지 셀로 자연스럽게 주액되도록 하며, 이어서 상기 주액 호퍼에 소정 가압력을 제공하여 남아 있는 전해액이 강제로 전지 셀에 주액되도록 하는 제1포트를 포함한다.

여기서, 상기 가압 챔버에는 상단에 소정 폭의 플랜지가 형성되고, 상기 플랜지에는 상대적으로 직경이 큰 제1통공과, 상대적으로 직경이 작은 제2통공이 연통되어 다수 형성될 수 있다.

또한, 상기 고정 부재는 상기 챔버 상판에 수평 방향으로 형성된 요홈에 결합되어, 수평 방향으로 슬라이딩되는 슬라이드와, 상기 슬라이드에 결합되어, 상기 가압 챔버의 제1통공에 결합된 후, 상기 슬라이드가 수평 방향으로 움직이면 상기 제2통공에 고정됨으로써, 상기 가압 챔버와 챔버 상판을 고정시키는 적어도 하나의 고정핀을 포함할 수 있다.

또한, 상기 주액 노즐의 하단에는 오링이 개재되어, 상기 전지 셀의 주액구에 밀착될 수 있다.

또한, 상기 주액 호퍼의 상단에는 상기 주액 호퍼에 전해액을 수용할 때 개방되는 주액 호퍼 캡이 더 결합될 수 있다.

또한, 상기 노즐 개폐 밸브는 직경이 상기 주액 호퍼의 내경보다 작게 형성될 수 있다.

또한, 상기 챔버 상판에는, 상기 주액 호퍼에 남아 있는 전해액을 가압하여 전지 셀에 주액할 때, 상기 전지 셀의 외관이 변형되지 않도록 가압 챔버의 내측에도 소정 가압력을 제공하는 제2포트가 더 장착될 수 있다.

또한, 상기 제1포트를 통하여 주액 호퍼에 제공되는 가압력은 10~30bar일 수 있다.

또한, 상기 제2포트를 통하여 주액 호퍼에 제공되는 가압력은 10~30bar일 수 있다.

상기와 같이 하여 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 다음과 같은 효 과를 갖는다.

첫째, 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 10bar 이상의 고압 가압 방식을 적용하여 전해액 주입 시간을 현저히 단축시킬 수 있다. 즉, 종래에는 가압 방식을 적용하지 않고 진공에만 의존하거나, 또는 가압 방식을 적용하더라도 5bar 이내의 저압을 사용하는 방식이 대부분이었다. 그러나 전지의 고용량화로 인해 극판이 밀집되면서 낮은 가압력에는 주액 시간이 크게 단축되지 않는 현상이 나타난다. 이에 대응하기 위하여 본 발명은 10bar 이상의 고압 가압을 적용할 수 있다. 챔버를 사용하여 전지 셀의 내외부를 동시에 가압하기 때문에 가압에 의한 전지 셀(전지 캔)의 변형도 방지할 수 있다.

둘째, 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 챔버 개폐 방식을 최대한 단순화할 수 있게 된다. 일반적인 챔버는 볼트로 체결이 되어 대량 생산을 위한 자동화 방식에는 적합하지 않았다. 본 발명은 핀 슬라이드 방식으로 챔버가 클램핑되도록 하여 단순한 실린더의 동작으로 챔버의 신속한 개폐가 가능하다. 챔버 양쪽에 평행하게 위치되어 있는 핀 슬라이드 2개를 결합 방향으로 동시에 밀면 챔버는 기밀한 상태로 밀폐가 되며, 핀 슬라이드를 해제 방향으로 밀면 가압 챔버가 자유롭게 이탈 가능한 상태가 된다.

셋째, 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 주액 속도가 빠른 동시에 대량 생산에도 적합하다.

즉, 본 발명은 챔버 가압 방식과 캐리어 방식이 혼합된 구조로서, 주액 속도 향상과 함께 생산성을 향상시킬 수 있다. 종래의 챔버 가압 방식은 고정식이었기 때문에 주액 속도는 빠르지만 생산량을 늘리기 위해서는 많은 단위 가압 설비들이 배열되어야 한다. 따라서 설치 면적이 커지며 유지 보수가 힘들다. 본 발명은 이러한 단점을 극복하여 챔버 가압 방식을 캐리어(가압 챔버 및 챔버 상판)에 적용함으로써, 설치 면적을 줄이고 설비 가동 중에도 문제있는 캐리어(가압 챔버 및 챔버 상판)만 취출하여 보수가 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 캐리어(가압 챔버 및 챔버 상판)가 반송되는 도중에도 가압이 계속 유지된다. 즉, 종래의 기술설명에서 언급된 일본 특허공개공보 2003-022799에 개시된 캐리어 방식은 주액 호퍼가 개방되어 있기 때문에, 함침 헤드가 결합된 순간에만 가압을 적용할 수 있었다. 그러나 본 발명은 한번 가압이 되면 캐리어(가압 챔버 및 챔버 상판)가 반송되는 도중 가압이 해지될 때까지 압력을 유지할 수 있으므로 전해액 주입시 훨씬 더 효과적인 가압 기능을 발휘하게 된다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고속 전해액 주입 장치(100)는 전지 셀(101)이 고정되는 가압 챔버(110)와, 상기 가압 챔버(110)의 상부에 고정되는 챔버 상판(120)과, 상기 가압 챔버(110)와 챔버 상판(120)을 고정시키는 고정 부재(130)와, 상기 전지 셀(101)에 전해액을 주액하는 주액 노즐(140)과, 상기 주액 노즐(140)쪽으로 전해액을 공급하는 주액 호퍼(150)와, 상기 주액 노즐(140)을 개폐하 는 노즐 개폐 밸브(160)와, 상기 주액 호퍼(150)에 전해액을 공급할 때 개방되는 주액 호퍼 캡(170)과, 상기 주액 노즐(140) 및 주액 호퍼(150)를 진공, 가압 또는 배기하는 제1포트(180)와, 상기 가압 챔버(110)를 진공, 가압 또는 배기하는 제2포트(190)를 포함한다.

여기서, 상기 가압 챔버(110) 및 챔버 상판(120)은 하나의 캐리어로 정의할 수 있으며, 이는 각 공정마다 함께 반송될 수 있다. 물론, 상기 챔버 상판(120)에 결합된 주액 노즐(140), 주액 호퍼(150) 및 노즐 개폐 밸브(160) 등도 역시 상기 가압 챔버(110) 및 챔버 상판(120)(캐리어)과 함께 반송될 수 있으며, 상기 제1포트(180) 및 제2포트(190)에는 각 공정에서 필요로 하는 진공 라인, 가압 라인 또는 배기 라인중 선택된 어느 하나가 결합 및 분리된다.

이러한 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치(100)의 구성을 더욱 상세하게 설명한다.

상기 가압 챔버(110)는 적어도 하나의 전지 셀(101)을 고정시키며, 상기 전지 셀(101)중 상부에 구비된 주액구(102) 및 그 주변 구조는 개방시키는 형태로 형성되어 있다. 물론, 상기 가압 챔버(110)의 내측에는 다양한 형태의 전지 셀(101)을 고정시킬 수 있도록 전지 셀 지그(114)가 더 결합될 수 있다. 더불어, 이러한 전지 셀 지그(114)를 통해서도 상기 전지 셀(101)의 주액구(102) 및 그 주변 구조는 노출된 형태를 한다. 또한, 상기 가압 챔버(110)는 대략 상단에 외측으로 소정 길이 연장된 플랜지(111)가 형성되고, 상기 플랜지(111)에는 하기할 고정 부재(130)가 결합되는 다수의 통공(113)이 형성되어 있다.

상기 챔버 상판(120)은 상기 가압 챔버(110)의 상부에 고정 부재(130)로 고정되어, 상기 가압 챔버(110)가 전지 셀(101)의 주액 공정중 하부로 이탈되지 않도록 하고 있다. 더불어, 상기 가압 챔버(110)의 상면에는 소정 깊이의 요홈(122)이 형성되어 하기할 고정 부재(130)가 결합될 수 있도록 되어 있다.

상기 고정 부재(130)는 상기 챔버 상판(120)에 형성된 요홈(122)에 결합되어 수평 방향으로 움직일 수 있는 슬라이드(131)와, 상기 슬라이드(131)에 결합된 동시에 상기 가압 챔버(110)의 통공(113)에 결합되는 고정핀(132)으로 이루어져 있다. 이러한 고정 부재(130)는 상기 슬라이드(131)를 소정 방향으로 움직이는 동작에 의해, 상기 챔버 상판(120)으로서 상기 가압 챔버(110)를 용이하게 결합 또는 분리시킬 수 있다. 이러한 가압 챔버(110), 챔버 상판(120) 및 슬라이드(131)에 대해서는 아래에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 또한, 도면에서는 이러한 슬라이드(131)를 수평 방향으로 이동시키는 기구가 도시되어 있지는 않다.

상기 주액 노즐(140)은 상기 챔퍼 상판(120)을 관통하여 결합되어 있다. 물론, 상기 주액 노즐(140)은 상기 가압 챔버(110)에 결합된 전지 셀(101)의 주액구(102)와 연결된다. 더불어, 상기 주액 노즐(140)의 하단에는 전지 셀(101)과의 직접적인 마찰 및 충격이 완화되도록 오링(141)이 더 결합될 수 있다. 더욱이 상기 챔퍼 상판(120)과 주액 노즐(140) 사이의 밀폐력을 향상시키고, 또한 하기할 주액 호퍼(150)를 안정적으로 결합시키기 위해, 상기 주액 노즐(140)과 챔퍼 상판(120) 사이에는 밀폐 부재(121)가 더 개재될 수 있다.

상기 주액 호퍼(150)는 상부로 소정 길이 연장된 동시에, 하단이 상기 주액 노즐(140)에 연결되어 있다. 물론, 상술한 바와 같이 상기 주액 호퍼(150)는 하단이 상기 밀폐 부재(121)에 볼트(151)로 결합되어 있다. 더불어, 상기 주액 호퍼(150)는 내부가 비어 있어, 일정량의 전해액이 수용될 수 있도록 되어 있다.

상기 노즐 개폐 밸브(160)는 상기 주액 호퍼(150) 내측에 소정 길이를 가지며 위치되어 있다. 이러한 노즐 개폐 밸브(160)의 직경은 상기 주액 호퍼(150)의 내경보다 훨씬 작게 되어 있으며, 이는 상기 주액 노즐(140)을 개방시키거나 또는 폐쇄시키는 역할을 한다. 도면에서는 이러한 노즐 개폐 밸브(160)를 상,하 방향으로 동작시키는 기구가 도시되어 있지는 않다.

상기 주액 호퍼 캡(170)은 상기 주액 호퍼(150)의 대략 상단에 결합되어 있다. 물론, 상기 노즐 개폐 밸브(160)는 상기 주액 호퍼 캡(170)을 관통하여 설치되어 있다. 이러한 주액 호퍼 캡(170)은 상기 주액 호퍼(150)를 개방 또는 폐쇄시키는 역할을 한다. 물론, 전해액을 상기 주액 호퍼(150)에 주입할 때에는, 상기 주액 호퍼 캡(170)이 개방된다. 도면에서는 상기 주액 호퍼 캡(170)을 개폐시키는 기구가 도시되어 있지는 않다.

상기 제1포트(180)는 상기 주액 호퍼(150)의 측부에 결합되어 있다. 물론, 이러한 제1포트(180)에는 진공 라인, 가압 라인 및 배기 라인이 연결되어 있다. 따라서 이러한 제1포트(180)를 통해서, 상기 주액 호퍼(150)의 내측은 진공 상태로 되거나, 가압되거나 또는 배기될 수 있다. 더불어, 이러한 제1포트(180)는 진공 라인, 가압 라인 또는 배기 라인이 연결되었을 경우에만 개방되는 구조이며, 이러한 라인들이 분리되었을 때는 폐쇄되는 구조이다. 따라서, 상기 제1포트(180)에 진공 라인이 결합된 후 분리되면 상기 전지 셀(101), 주액 노즐(140) 및 주액 호퍼(150)의 내부는 진공 상태를 그대로 유지하고, 가압 라인이 결합된 후 분리되면 가압 상태를 그대로 유지하며, 배기 라인이 결합된 후 분리되면 배기 상태를 그대로 유지하게 된다.

상기 제2포트(190)는 상기 챔버 상판(120)에 결합되어 있다. 물론, 상기 제2포트(190)와 연통되어서는 통공(123)이 형성되어 있으며, 이러한 통공(123)은 가압 챔버(110)의 내부와 연결되어 있다. 더불어, 이러한 제2포트(190)에는 제1포트(180)와 마찬가지로 진공 라인, 가압 라인 및 배기 라인이 연결되어 있다. 따라서 상기 제2포트(190)를 통해서는, 상기 가압 챔버(110)의 내측이 진공 상태로 되거나, 가압되거나 또는 배기될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2포트(190)는 진공 라인, 가압 라인 또는 배기 라인이 연결되었을 경우에만 개방되는 구조이며, 이러한 라인들이 분리되었을 때는 폐쇄되는 구조이다. 따라서, 상기 제2포트(190)에 진공 라인이 결합된 후 분리되면 상기 가압 챔버(110)의 내부는 진공 상태를 그대로 유지하고, 가압 라인이 결합된 후 분리되면 가압 상태를 그대로 유지하며, 배기 라인이 결합된 후 분리되면 배기 상태를 그대로 유지하게 된다.

먼저 도 3a에 도시된 바와 같이 가압 챔버(110)는 내부에 소정 공간이 구비되고, 그 공간에는 전지 셀 지그(114)가 결합되어 있다. 물론, 상기 전지 셀 지그 (114)에도 소정 요홈(115)이 형성되어 있으며, 이러한 요홈(115)에 전해액 주액을 위한 전지 셀(101)이 결합된다. 더불어, 상기 가압 챔버(110)의 상단에는 외측 수평 방향으로 소정 길이 연장된 플랜지(111)가 형성되고, 상기 플랜지(111)에는 다수의 제1통공(112) 및 제2통공(113)이 형성되어 있다. 이러한 제1통공(112)은 제2통공((113)에 비해 상대적으로 직경이 크게 형성되어 있으며, 또한 제1통공(112)과 제2통공((113)은 대략 오뚜기 모양으로 상호 연결되어 있다.

이어서, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이 챔버 상판(120)에는 고정핀(132)이 관통되어 하부로 소정 길이 연장되어 있다. 물론, 상기 챔버 상판(120)에는 상기 고정핀(132)이 소정 방향으로 수평 이동할 수 있도록 장공(124)이 형성되어 있다. 따라서 상기 챔버 상판(120)이 가압 챔버(110)에 최초 결합될 때에는 상기 고정핀(132)이 상기 제1통공(112)에 먼저 결합된다. 여기서, 상기 제1통공(112)은 고정핀(132)이 상하 방향으로 자유롭게 결합 및 분리될 수 있는 정도의 직경을 갖는다.

이어서, 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이 고정 부재(130)중 슬라이드(131)는 수평 방향으로 움직일 수 있도록, 상술한 바와 같이 챔버 상판(120)에 형성된 소정 깊이의 요홈(122)에 결합되어 있다. 물론, 상기 슬라이드(131)를 관통해서는 하부 방향으로 고정핀(132)이 결합되어 있다. 상술한 바와 같이 챔버 상판(120)이 가압 챔버(110)에 결합되고, 또한 고정 부재(130)의 고정핀(132)이 제1통공(112)에 결합된 후에는, 상기 고정 부재(130)의 슬라이드(131)가 수평 방향으로 이동하게 된다. 그러면, 상기 고정핀(132)은 가압 챔버(110)의 제2통공((113)쪽으 로 이동하게 되고, 이에 따라 가압 챔버(110)가 챔버 상판(120)에 단단하게 고정된다. 물론, 상기 고정핀(132)은 상기 제2통공((113)에 결합된 후에는 상,하 방향(수직 방향)으로 움직일 수 없게 되어 있다.

마지막으로, 도 3f에 도시된 바와 같이 상기 고정 부재(130)는 소정 길이를 갖는 대략 직사각 막대 형태의 슬라이드(131)와, 상기 슬라이드(131)에 결합되어 하부 방향으로 소정 길이 연장된 다수의 고정핀(132)으로 이루어져 있다.

이상의 설명에서 상기 챔버 고정판(120)에는 주액 노즐(140) 및 주액 호퍼(150)가 결합되는 밀폐 부재(121)와, 제2포트(190) 등이 더 결합되어 있으나, 이러한 구성 요소는 도시되어 있지 않다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 챔버 상판과 가압 챔버를 결합하는 단계(S1)와, 주액 노즐을 개방하는 동시에 주액 호퍼 및 전지 셀에 진공을 제공하는 단계(S2)와, 주액 노즐을 폐쇄한 상태에서 주액 호퍼에 전해액을 공급하는 단계(S3)와, 주액 호퍼를 배기하는 동시에 주액 노즐을 개방함으로써 대기압 차이에 의해 전해액이 전지 셀에 주액되도록 하는 단계(S4)와, 주액 호퍼 내측 및 전지 셀의 외부를 가압함으로써, 주액 호퍼의 남은 전해액이 모두 전지 셀에 주액되도록 하는 단계(S5)를 포함하여 동작한다.

이러한 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치(100)의 작동을 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

먼저 챔버 상판(120)과 가압 챔버(110)를 결합하는 단계(S1)에서는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 챔버 상판(120)에 가압 챔버(110)를 고정 부재(130)로 고정한다. 즉, 챔버 상판(120)의 하부에 가압 챔버(110)를 위치 맞춤한 상태에서 고정 부재(130)의 고정핀(132)을 가압 챔버(110)의 제1통공(112)(도 5a에는 도시되지 않음)에 결합시킨다. 이어서 도시되지 않은 기구에 의해 고정 부재(130)의 슬라이드(131)를 일측으로 이동시킴으로써, 상기 고정핀(132)이 가압 챔버(110)의 제2통공(113)에 결합되도록 하여, 상기 챔버 상판(120)으로부터 가압 챔버(110)가 하부로 이탈되지 않고 고정되도록 한다.

물론, 이러한 단계(S1)에서 챔버 상판(120)에 고정된 주액 노즐(140)은 오링(141)을 통하여 가압 챔버(110)의 내부에 위치된 전지 셀(101)의 주액구(102)에 위치 맞춤된다. 더불어, 주액 노즐(140)에 연결된 주액 호퍼(150)에는 아직 전해액이 공급되지 않은 상태이며, 노즐 개폐 밸브(160)가 주액 노즐(140)을 개방하고 있는 상태이다.

이어서, 주액 노즐(140)을 개방하는 동시에 주액 호퍼(150) 및 전지 셀(101)에 진공을 제공하는 단계(S2)에서는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 주액 호퍼(150)의 측부에 결합된 제1포트(180)가 진공 라인에 연결된다. 그러면, 상기 전지 셀(101), 주액 노즐(140) 및 주액 호퍼(150)의 내부 공기가 제1포트(180)를 통하여 제거되고, 이에 따라 상기 전지 셀(101), 주액 노즐(140) 및 주액 호퍼(150)의 내부가 대 기압보다 낮은 진공 상태가 된다.

이어서, 주액 노즐(140)을 폐쇄한 상태에서 주액 호퍼(150)에 전해액을 공급하는 단계(S3)에서는, 도 5c에 도시된 바와 같이, 도시되지 않은 기구에 의해 노즐 개폐 밸브(160)가 하강함으로써, 주액 노즐(140)이 폐쇄된다. 이어서, 주액 호퍼(150)의 대략 상단에 결합된 주액 호퍼 캡(170)이 개방되고, 전해액 공급기(103)에 의해 일정량의 전해액이 상기 주액 호퍼(150)의 내측에 수용된다. 이때, 상기 주액 노즐(140)은 노즐 개폐 밸브(160)에 의해 닫혀진 상태이므로 아직 전지 셀(101)의 내부로 주액되지는 않는다.

이어서, 주액 호퍼(150)를 배기하는 동시에 주액 노즐(140)을 개방함으로써 대기압 차이에 의해 전해액이 전지 셀(101)에 주액되도록 하는 단계(S4)에서는, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제1포트(180)가 배기 라인에 연결되어 대기압 상태가 된다. 이어서, 상기 주액 노즐(140)을 폐쇄하고 있던 노즐 개폐 밸브(160)가 도시되지 않은 기구에 의해 상부로 이동함으로써, 상기 주액 노즐(140)은 개방된다. 그러면, 상기 전지 셀(101)의 내부는 아직 진공 상태이고, 주액 호퍼(150)의 내부는 대기압 상태이므로, 상기 주액 호퍼(150)에 수용된 전해액은 자연스럽게 주액 노즐(140), 오링(141) 및 전지 셀(101)의 주액구(102)를 통하여 상기 전지 셀(101)의 내부에 주액된다.

마지막으로, 주액 호퍼(150) 내측 및 전지 셀(101)의 외부를 가압함으로써, 주액 호퍼(150)의 남은 전해액이 모두 전지 셀(101)에 주액되도록 하는 단계(S5)에서는, 도 5e에 도시된 바와 같이, 제1포트(180) 및 제2포트(190)를 가압 라인에 연 결한다. 즉, 상기와 같은 대기압 차이에 의한 전해액 주액 방법으로는 주액 호퍼(150) 내의 모든 전해액이 전지 셀(101)로 주액되지 않는다. 즉, 주액 호퍼(150)와 전지 셀(101) 내부의 기압이 비슷해지면 더 이상의 전해액 주액은 이루어지지 않거나 또는 주액 속도가 현저히 저하된다. 따라서 상기 주액 호퍼(150)에 일정량의 전해액이 잔존하게 된다. 이때 상기 제1포트(180) 및 제2포트(190)를 통해 동시 가압이 이루어진다. 즉, 제1포트(180)를 통하여 가압이 수행됨으로써, 주액 호퍼(150) 내의 남아 있는 전해액이 주액 노즐(140), 오링(141) 및 전지 셀(101)의 주액구(102)를 통하여 전지 셀(101)의 내부로 강제 주액이 이루어진다. 이때, 상기 제1포트(180)를 통한 가압력은 대략 10~30bar 정도가 되도록 제어함이 바람직하다. 상기 가압력이 대략 10bar 이하이면 전해액 주액 속도가 너무 느리고, 상기 가압력이 대략 30bar 이상이면 전지 셀(101), 주액 노즐(140) 및 주액 호퍼(150) 등이 기계적으로 변형될 수 있는 위험이 있다.

한편, 상술한 바와 제1포트(180)를 통하여 가압이 수행될 때, 상기 제2포트(190)를 통해서도 동일한 압력으로 가압이 이루어진다. 즉, 상기 제1포트(180)를 통한 가압 수행시, 상기 가압력에 의해 전지 셀(101)의 외관이 바깥 방향으로 부풀어오르는 변형이 일어날 수 있다. 따라서 이러한 전지 셀(101)의 외관 변형을 방지하기 위해, 상기 제2포트(190)를 통하여 동일한 압력이 가압이 수행된다. 물론, 이로 인해 상기 가압 챔버(110) 내부에 위치된 전지 셀(101)의 외부에는 전지 셀(101)의 내부와 동일한 압력 상태가 됨으로써, 강제 주액동안 전지 셀(101)의 외관 변형이 발생되지 않게 된다.

상기와 같이 하여 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 10bar 이상의 고압 가압 방식을 적용하여 전해액 주입시간을 현저히 단축시킬 수 있다. 즉, 종래에는 가압 방식을 적용하지 않고 진공에만 의존하거나, 또는 가압 방식을 적용하더라도 5bar 이내의 저압을 사용하는 방식이 대부분이었다. 그러나 전지의 고용량화로 인해 극판이 밀집되면서 낮은 가압력에는 주액 시간이 크게 단축되지 않는 현상이 나타난다. 이에 대응하기 위하여 본 발명은 10bar 이상의 고압 가압을 적용할 수 있다. 챔버를 사용하여 전지 셀의 내외부를 동시에 가압하기 때문에 가압에 의한 전지 셀(전지 캔)의 변형도 방지할 수 있다.

둘째, 본 발명에 의한 고속 전해액 주입 장치는 챔버 개폐 방식을 최대한 단순화할 수 있게 된다. 일반적인 챔버는 볼트로 체결이 되어 대량 생산을 위한 자동화 방식에는 적합하지 않았다. 본 발명은 슬라이드 방식으로 챔버가 클램핑되도록 하여 단순한 실린더의 동작으로 가압 챔버의 신속한 개폐가 가능하다. 가압 챔버 양쪽에 평행하게 위치되어 있는 슬라이드 2개를 결합 방향으로 동시에 밀면 가압 챔버는 기밀한 상태로 밀폐가 되며, 슬라이드를 해제 방향으로 밀면 가압 챔버가 자유롭게 이탈 가능한 상태가 된다.

즉, 본 발명은 챔버 가압 방식과 캐리어 타입이 혼합된 구조로서, 주액 속도 향상과 함께 생산성을 향상시킬 수 있다. 종래의 챔버 가압 방식은 고정식이었기 때문에 주액 속도는 빠르지만 생산량을 늘리기 위해서는 많은 단위 가압 설비들이 배열되어야 한다. 따라서 설치 면적이 커지며 유지 보수가 힘들다. 본 발명은 이러한 단점을 극복하여 챔버 가압 방식을 캐리어(가압 챔버 및 챔버 상판)에 적용함으로써, 설치 면적을 줄이고 설비 가동 중에도 문제있는 캐리어(가압 챔버 및 챔버 상판)만 취출하여 보수가 가능한 장점이 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 고속 전해액 주입 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims

적어도 하나의 전지 셀을 고정시키되, 상기 전지 셀중 주액구는 개방시키는 가압 챔버와,

상기 가압 챔버의 상부에 고정 부재로 고정되는 챔버 상판과,

상기 챔퍼 상판을 관통하여 상기 전지 셀의 주액구에 연결되는 주액 노즐과,

상기 주액 노즐의 상단에 결합되는 주액 호퍼와,

상기 주액 호퍼의 내측에 결합되어, 상기 주액 노즐을 개폐하는 노즐 개폐 밸브와,

상기 주액 호퍼의 일측에 결합되어, 상기 주액 노즐이 개방된 상태에서 전지 셀을 진공 상태로 만들고, 상기 주액 노즐이 폐쇄된 상태에서 주액 호퍼에 전해액이 수용되면 상기 주액 호퍼 내측을 대기 상태로 만들어 상기 주액 노즐이 개방되면 전해액이 전지 셀로 자연스럽게 주액되도록 하며, 이어서 상기 주액 호퍼에 소정 가압력을 제공하여 남아 있는 전해액이 강제로 전지 셀에 주액되도록 하는 제1포트를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가압 챔버에는 상단에 소정 폭의 플랜지가 형성되고, 상기 플랜지에는 상대적으로 직경이 큰 제1통공과, 상대적으로 직경이 작은 제2통공이 연통되어 다수 형성된 것을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 고정 부재는

상기 챔버 상판에 수평 방향으로 형성된 요홈에 결합되어, 수평 방향으로 슬라이딩되는 슬라이드와,

상기 슬라이드에 결합되어, 상기 가압 챔버의 제1통공에 결합된 후, 상기 슬라이드가 수평 방향으로 움직이면 상기 제2통공에 고정됨으로써, 상기 가압 챔버와 챔버 상판을 고정시키는 적어도 하나의 고정핀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 주액 노즐의 하단에는 오링이 개재되어, 상기 전지 셀의 주액구에 밀착됨을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 주액 호퍼의 상단에는 상기 주액 호퍼에 전해액을 수용할 때 개방되는 주액 호퍼 캡이 더 결합된 것을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 노즐 개폐 밸브는 직경이 상기 주액 호퍼의 내경보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 챔버 상판에는, 상기 주액 호퍼에 남아 있는 전해액을 가압하여 전지 셀에 주액할 때, 상기 전지 셀의 외관이 변형되지 않도록 가압 챔버의 내측에도 소정 가압력을 제공하는 제2포트가 더 장착된 것을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제1포트를 통하여 주액 호퍼에 제공되는 가압력은 10~30bar인 것을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 제2포트를 통하여 주액 호퍼에 제공되는 가압력은 10~30bar인 것을 특징으로 하는 고속 전해액 주입 장치.