KR20130102869A - 전지셀 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체가 내장된 전지셀을 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 분리필름의 상면 또는 상면 및 하면에 전해액을 도포하는 전해액 도포부, 상기 전해액이 도포된 분리필름 상에 판상형 유닛셀들을 소정 간격으로 배치시키는 유닛셀 배치부, 열 및/또는 압력에 의해 상기 분리필름 상에 유닛셀들을 접착시켜 웹(web)을 제조하는 유닛셀 접착부, 및 상기 웹의 첫 번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취부를 포함하는 것으로 구성된 전지셀 제조 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 분리필름에 전해액을 미리 도포하는 과정을 수행하는 구조를 포함함으로써, 전극조립체의 젖음성을 향상시켜 전지의 용량을 상승시키고, 분리필름과 유닛셀의 접착력을 향상시켜 유닛셀의 전극 탭 사행을 감소시키며, 분리필름의 뭉침을 풀어 분리필름의 주름 개선 효과를 제공함으로써 구조적 안정성을 향상시키는 전지셀 제조 장치를 제공한다.

Description

전지셀 제조 장치 {Manufacture Device of Battery Cell}
본 발명은 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체가 내장된 전지셀을 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 분리필름의 상면 또는 상면 및 하면에 전해액을 도포하는 전해액 도포부, 상기 전해액이 도포된 분리필름 상에 판상형 유닛셀들을 소정 간격으로 배치시키는 유닛셀 배치부, 열 및/또는 압력에 의해 상기 분리필름 상에 유닛셀들을 접착시켜 웹(web)을 제조하는 유닛셀 접착부, 및 상기 웹의 첫 번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취부를 포함하는 것으로 구성된 전지셀 제조 장치에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 이러한 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 바람직하게 사용될 수 있지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는, 국부적으로 응력이 집중되어 전극 활물질이 박리되거나 충방전 과정에서 반복되는 수축 및 팽창 현상에 의해 전지의 변형을 유발하는 문제점이 있다.
반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위 셀들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시되어 있다.
이러한 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하기 위해서는 일반적으로 회전운동으로 전극조립체를 폴딩하는 장치를 사용한다. 도 1을 참조하면, 도 1에는 종래의 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치의 개략적인 모식도가 도시되어 있는 바, 분리필름(22)의 상면에 판상형 유닛셀(10, 11, 12, ...)들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)(20)을 공급하는 롤러 형태의 웹 공급부(40)가 있고, 웹(20)의 첫번째 유닛셀(10)을 잡아 분리필름(22)이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취 지그(30)을 포함하고 있다. 이러한 권취 지그(30)가 회전하면서 유닛셀들(100, 101, 102, ...)이 순차적으로 적층된다.
그러나, 고용량 전지셀에 대한 필요성으로 인해, 스택/폴딩형 전극조립체에서 풀셀 또는 바이셀의 적층 수가 증가하면서, 폴딩 공정에서 전극 탭이 사행되어 접속불량, 단락 등의 비정상적인 작동이 발생되고, 분리필름의 주름 현상이 심화되는 문제점이 있었다. 또한, 풀셀 또는 바이셀의 적층 수가 증가된 전극조립체가 전지케이스 내부에 장착되고 전해액을 주입하여 밀봉하였을 때, 두꺼운 적층 구조로 인해 전해액에 대한 전극조립체의 젖음성(wetting)이 떨어지게 되어 수명 특성이 감소하고, 안전성에 문제점을 초래한다는 단점이 있었다.
따라서, 접속불량, 단락 등을 방지하고, 전극조립체의 젖음성을 향상시켜, 전지의 안전성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 전지셀 제조 장치에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 신규한 구조의 전지셀 제조 장치를 사용함으로써, 제조 공정성을 향상시키고, 전지의 안전성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 전지셀 제조 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀 제조 장치는,
분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체가 내장된 전지셀을 제조하는 장치로서,
상기 분리필름의 상면 또는 상면 및 하면에 전해액을 도포하는 전해액 도포부, 상기 전해액이 도포된 분리필름 상에 판상형 유닛셀들을 소정 간격으로 배치시키는 유닛셀 배치부, 열 및/또는 압력에 의해 상기 분리필름 상에 유닛셀들을 접착시켜 웹(web)을 제조하는 유닛셀 접착부, 및 상기 웹의 첫 번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취부를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀 제조 장치는 상기 분리필름 상면 또는 상면 및 하면에 전해액을 미리 도포하는 과정을 수행하는 구조를 포함한다. 즉, 유닛셀들을 분리필름 상에 위치시켜 권취시키는 과정 이전에 상기 분리필름 상에 전해액을 도포함으로써, 전극조립체의 젖음성을 향상시키는 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 일반적인 전지셀의 제조공정은 전지셀 케이스에 전극조립체를 삽입하고 전해액을 주입하여 전극조립체를 전해액에 의해 함침시키는 과정으로 이루어지는데, 고용량 전지셀의 경우 분리필름상에 위치하는 유닛셀들의 개수가 많아지고, 이에 따라 권취되었을 때 그 두께가 커지게 되어 전해액의 함침 효율이 낮아지고, 젖음성이 떨어지면서 전지의 용량 또한 낮아지게 된다.
반면에, 본 발명에 따른 전지셀 제조 장치는 분리필름에 전해액을 미리 도포한 후 유닛셀을 위치시켜 권취하는 구조로 이루어져 있어서, 전극조립체에 전해액이 함침이 잘 되도록 하여 젖음성을 향상시켜 전지의 용량을 상승시키는 구조를 이루고 있다.
상기 유닛셀 접착부는 분리필름과 분리필름 상에 위치한 유닛셀이 접착되도록 열, 압력, 또는 열과 압력을 가하는 구조로 이루어져 있으며, 상기 분리필름에 도포된 전해액의 점성에 의하여 분리필름과 유닛셀의 접착력을 향상시켜 유닛셀의 전극 탭의 사행을 감소시키는 효과를 제공하고, 전해액의 분자가 상기 분리필름의 분자 구조 사이로 들어가서 유닛셀 접착부에 의해 열, 압력, 또는 열과 압력을 받음으로써 분리필름의 분자 배열을 바꾸어서 분리필름의 뭉침을 풀어 분리필름의 주름 개선 효과를 제공하는 구조로 이루어져 있다.
상기 분리필름은 유연성 및 절연성을 가진 소재라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리프로필렌의 공중합체 또는 블랜드로 제조될 수 있다.
상기 전해액 도포부는 상기 분리필름의 상면 또는 상면 및 하면에 전해액을 도포하는 구조로서, 예를 들어, 전해액을 분사하는 스프레이를 포함하는 구조로 이루어져 있어서, 상기 스프레이에 의해 분리필름 상에 전해액이 도포될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 전해액 함침조를 포함하는 구조로 이루어져 있어서, 상기 분리필름이 상기 전해액 함침조에 도입됨으로써 상기 분리필름에 전해액이 도포되는 구조로 이루어질 수 있다. 그러나, 분리필름에 전해액을 도포하는 구조는 상기 구조에 한정되지 않으며 다양한 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.
상기 전해액은 바람직하게는 리튬염이 포함되어 있는 유기 용매일 수 있다.
상기 유기 용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 유기 용매에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 전해액을 제조할 수 있다.
하나의 바람직한 예로, 상기 유닛셀은 풀셀 또는 바이셀로 이루어질 수 있다. 본 발명에서, 상기 풀셀이란 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀로서, 양극/분리막/음극의 구조로 이루어진 단위셀을 의미한다. 예를 들어, 상기 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 이러한 풀셀을 사용하여 상기 전극조립체를 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 한다.
또한, 상기 바이셀이란 양측에 각각 동일 전극이 위치하는 셀로서, 양측에 양극이 위치하는 구조로 이루어진 단위셀과 양측에 음극이 위치하는 구조로 이루어진 단위셀을 의미한다. 예를 들어, 상기 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극 셀 및 음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 이러한 바이셀을 이용하여 상기 전극조립체를 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다.
이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
풀셀과 바이셀은 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 이러한 결합 방법의 바람직한 예로는 열융착 방식을 들 수 있다.
풀셀과 바이셀에서 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 본 발명에서 사용되는 분리막 필름은 상기 분리막과 동일한 소재일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 유닛셀은 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 사이에 간격을 주는 것은 권취 과정에서 1회 권취시 제 1 유닛셀의 외면이 분리필름으로 완전히 도포된 상태에서 다른 유닛셀의 전극과 대면하게 해 줌으로써, 근본적으로 전극끼리 접촉하여 일어날 수 있는 단락 등을 방지하기 위함이다.
상기 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 경우, 적층되는 면에서의 전극은 서로 다른 전극이 대향해야 한다. 이를 위하여, 풀셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 하고, 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 C형 바이셀과 A형 바이셀들을 적층하여야 한다.
상기 유닛셀이 풀셀인 경우, 도 3에서 나타내는 바와 같이, 제 1 풀셀(221)과 제 2 풀셀(222)은 동일한 전극이 위로 향하고, 제 2 풀셀 이후에는 순차적으로 다른 전극이 위로 향하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 1 풀셀(221)이 "+" 전극이 위로 향하고 있으면, 제 2 풀셀(222)도 "+" 전극이 위로 향하고 있고, 제 3 풀셀(223)은 "-" 전극이 위로 향하고 있게 된다. 이후, "+"와 "-" 전극이 순차적으로 배열되어 있을 수 있다.
상기 유닛셀이 바이셀인 경우, 도 4에서 나타내는 바와 같이, 제 1 바이셀(231)과 제 2 바이셀(232)은 서로 다른 종류의 셀이고, 제 2 바이셀 이후의 셀들은 동일 타입의 셀이 두 개씩 짝지어 있는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 1 바이셀(231)이 C형 바이셀이면, 제 2, 3 바이셀(232, 233)은 A형 바이셀이고, 제 4, 5 바이셀(234, 235)은 C형 바이셀이며, 이후 동일한 타입의 셀이 두 개씩 순차적으로 배열되어 있을 수 있다.
상기 권취 지그는 상기 웹을 권취할 수 있는 것이면 그 형태는 특별히 제한되지 않지만, 유닛셀의 상단부와 상기 유닛셀에 대응하는 분리필름의 하단부에서 웹을 잡아 고정하는 형태의 지그인 것이 바람직하다.
상기 지그는 유닛셀과 분리필름을 동시에 잡고 권취함으로써 유닛셀 사이에 분리필름이 개재된 상태로 적층될 수 있다.
본 발명은 또한, 이러한 전지셀 제조 장치를 사용하여 제조되는 전지셀을 제공한다.
상기 전지셀은 예를 들어, 이차전지 또는 전기화학 캐패시터일 수 있으며, 그 중에서도 리튬 이차전지에서 바람직하게 적용될 수 있다.
상기와 같은 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 전지팩의 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차, 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차, 전기 골프 카트(electric golf cart) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체가 내장된 전지셀을 제조하는 방법으로서, 상기 분리필름의 상면에 전해액을 도포하는 단계, 상기 전해액이 도포된 분리필름 상에 유닛셀들을 소정 간격으로 배치하는 단계, 상기 유닛셀이 분리필름 상에 배치된 구조에 열 및/또는 압력을 가하여 상기 유닛셀과 분리필름을 접착시켜 웹(web)을 형성하는 단계, 및 상기 웹의 첫 번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시켜 권취하는 단계를 포함하는 전지셀 제조 방법을 제공한다.
이러한 제조 방법은 제조 공정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 수명 특성 및 안전성이 향상된 전지셀을 제조할 수 있는 효과를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조 장치는 분리필름에 전해액을 미리 도포하는 과정을 수행하는 구조를 포함함으로써, 전극조립체의 젖음성을 향상시켜 전지의 용량을 상승시키고, 분리필름과 유닛셀의 접착력을 향상시켜 유닛셀의 전극 탭 사행을 감소시키는 효과를 제공한다. 또한, 분리필름의 뭉침을 풀어 분리필름의 주름 개선 효과를 제공함으로써 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치의 개략적인 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조 장치의 구조에 관한 모식도이다;
도 3은 유닛셀이 풀셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도이다;
도 4는 유닛셀이 바이셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조 장치의 구조에 관한 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀 제조 장치(100)는 전해액 도포부(110), 유닛셀 배치부(120), 유닛셀 접착부(130), 및 권취부(140)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.전해액 도포부(110)는 분리필름(210)에 전해액을 도포하는 장치로서, 유입된 분리필름(210)의 상면, 또는 상면 및 하면에 스프레이 방식으로 전해액을 분사하여 전해액을 도포하거나, 또는 전해액 함침조에 분리필름을 통과시켜 분리필름에 전해액을 도포하는 구조 등으로 이루어져 있다.
유닛셀 배치부(120)는 이와 같이 전해액이 도포된 분리필름(210') 상에 판상형 유닛셀들(220)을 소정 간격으로 배치시키는 구조로 이루어져 있고, 유닛셀 접착부(130)는 분리필름과 유닛셀에 열 또는 압력, 또는 열 및 압력을 가하여 분리필름과 유닛셀이 서로 접착되어 웹을 제조하는 구조로 이루어져 있다.
권취부(140)는 웹의 첫번째 유닛셀(221)을 잡아 분리필름(210')이 개재된 상태로 유닛셀들(220)이 순차적으로 적층되도록 회전하는 구조로 이루어져 있다.
즉, 분리필름(210)은 전해액 도포부(110)를 통과하면서 분리필름(210)의 상면, 또는 상면 및 하면에 전해액이 도포된다. 전해액이 도포된 분리필름(210')은 유닛셀 배치부(120)를 통과하면서 그것의 상면에 유닛셀들(220)이 배치되고, 이러한 구조가 유닛셀 접착부(130)을 통과하면서 열 또는 압력, 또는 열 및 압력을 받아서 전해액이 도포된 분리필름(210')상에 유닛셀들(220)이 접착되어 웹(200)을 형성한다. 그리고 웹(200)은 권취부(140)에서 분리필름(210')이 개재된 상태로 유닛셀들(220)이 적층되도록 회전되어 권취됨으로서 전극조립체를 제조하는 구조로 이루어져 있다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 유닛셀이 풀셀인 경우에 배열 형태를 나타내는 모식도가 개시되어 있다.
도 3을 참조하면, 유닛셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 위치되는 풀셀들(221, 222, 223, 224, 225)이 전해액이 도포된 분리필름(210') 상에 배치되어 있고, 제 1 풀셀(221)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 스택/폴딩형 전극조립체를 제조할 수 있다.
이 때, 유닛셀인 풀셀들(221, 222, 223, 224, 225)의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 풀셀(221)과 제 2 풀셀(222)은 적어도 하나의 풀셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 풀셀(221)의 외면이 분리필름(210')으로 완전히 도포된 후 제 1 풀셀(221)의 하단면 전극(음극)이 제 2 풀셀(222)의 상단면 전극(양극)에 접하게 된다.
제 2 풀셀(222) 이후의 풀셀들(223, 224, 225)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름 (210')의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 풀셀들(221, 222, 223, 224, 225)은 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 하나의 바람직한 예로, 제 1 풀셀(221)과 제 2 풀셀(222)은 상단면 전극이 양극인 풀셀이고, 제 3 풀셀(223)은 상단면 전극이 음극인 풀셀이며, 제 4 풀셀(224)은 상단면 전극이 양극인 풀셀이고, 제 5 풀셀(225)은 상단면 전극이 음극인 풀셀로 이루어져 있다. 즉, 제 1 풀셀(221)을 제외하면 상단면 전극이 양극인 풀셀들(222, 224)과 상단면 전극이 음극인 풀셀들(223, 225)이 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 유닛셀이 바이셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도가 개시되어 있다.
도 4를 참조하면, 유닛셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극이 위치되는 바이셀들(231, 232, 233, 234, 235)이 분리필름(210') 상에 배치되어 있고, 제 1 바이셀(231)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 스택/폴딩형 전극조립체를 제조할 수 있다.
이 때, 유닛셀인 바이셀들(231, 232, 233, 234, 235)의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 바이셀(231)과 제 2 바이셀(232)은 적어도 하나의 바이셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 바이셀(231)의 외면이 분리필름(210')으로 완전히 도포된 후 제 1 바이셀(231)의 하단면 전극(음극)이 제 2 바이셀(232)의 상단면 전극(양극)에 접하게 된다.
제 2 바이셀(232) 이후의 바이셀들(233, 234, 235)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름 (210')의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 바이셀들(231, 232, 233, 234, 235)은 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 하나의 바람직한 예로, 제 1 바이셀(231)은 외부 전극이 음극인 바이셀이고, 제 2 바이셀(232)과 제 3 바이셀(233)은 외부 전극이 양극인 바이셀이고, 제 4 바이셀(234)과 제 5 바이셀(235)은 외부 전극이 음극인 바이셀로 이루어져 있다. 즉, 제 1 바이셀(231)을 제외하면 외부 전극이 양극인 바이셀들(232, 233)과 외부 전극이 음극인 바이셀들(234, 235)이 두 개 단위로 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체가 내장된 전지셀을 제조하는 장치로서,
    상기 분리필름의 상면 또는 상면 및 하면에 전해액을 도포하는 전해액 도포부;
    상기 전해액이 도포된 분리필름 상에 판상형 유닛셀들을 소정 간격으로 배치시키는 유닛셀 배치부;
    열 및/또는 압력에 의해 상기 분리필름 상에 유닛셀들을 접착시켜 웹(web)을 제조하는 유닛셀 접착부; 및
    상기 웹의 첫 번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름은 폴리프로필렌, 폴리프로필렌의 공중합체 또는 블랜드로 이루어진 것을 특징으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 도포부는 분리필름의 상면 또는 상면 및 하면에 전해액을 분사하는 스프레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 도포부는 분리필름이 도입되는 전해액 전해액 함침조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀은 풀셀 또는 바이셀인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀은 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 권취 폭에 대응하는 크기로 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 유닛셀이 풀셀인 경우, 제 1 풀셀과 제 2 풀셀은 동일한 전극이 위로 향하고, 제 2 풀셀 이후에는 순차적으로 다른 전극이 위로 향하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 유닛셀이 바이셀인 경우, 제 1 바이셀과 제 2 바이셀은 서로 다른 타입의 셀이고, 제 2 바이셀 이후의 셀들은 동일 타입의 셀이 두 개씩 짝지어 있는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 권취부는 유닛셀의 상단부와 상기 유닛셀에 대응하는 분리필름의 하단부에서 웹을 잡아 고정하는 형태의 권취 지그를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 장치로 제조된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 10 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  14. 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체가 내장된 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    상기 분리필름의 상면에 전해액을 도포하는 단계;
    상기 전해액이 도포된 분리필름 상에 유닛셀들을 소정 간격으로 배치하는 단계;
    상기 유닛셀이 분리필름 상에 배치된 구조에 열 및/또는 압력을 가하여 상기 유닛셀과 분리필름을 접착시켜 웹(web)을 형성하는 단계; 및
    상기 웹의 첫 번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시켜 권취하는 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
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