KR20140014492A - 이차전지의 권취장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초고속 와인딩이 가능한 이차전지의 권취장치에 관한 것으로, 특히 축회전을 수행하며 극판을 권취하는 메인권심부와, 상기 메인권심부에 일단이 결합되어 외부방향으로 연장되는 커넥팅유닛 및 상기 지지부재의 타단에 연결되는 다수의 단위권심부를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 젤리롤(jelly roll) 타입의 이차전지의 권취장치의 권심의 구조를 다수의 단위권심으로 이루어지는 구조로 형성하여, 각형 이차전지의 선속도의 상이점으로 인한 와인딩(winding) 속도의 저해문제를 해소하고, 권취시 권취되는 전극에 가해지는 회전에 의한 전극 충격을 최소화하여 신뢰성 높은 이차전지를 제공할 수 있으며, 원기둥 모양의 단위권심의 배치거리를 조절하여 다양한 사이즈의 전지를 제조할 수 있는 효과도 있다.

Description

이차전지의 권취장치{Rolling Device for Lithium ion Secondary battery}
본 발명은 초고속 와인딩이 가능한 이차전지의 권취장치에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록
전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충ㆍ방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V~4.3V의 범위에서 통상 구현되며, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 이차 전지는 전극 조립체(젤리롤(jelly roll) 또는 권취품)와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차전지용 케이스와, 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 및 케이스를 마감하는 캡 조립체를 포함한다.
도 1은 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 각형 이차전지의 전극조립체를 도시한 개념도이다.
도시된 것과 같이, 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 각형 이차전지의 전극조립체는 양극집전체의 소정영역에 양극활물질층이 형성된 양극전극판(10), 음극집전체의 소정영역에 음극활물질층이 형성된 음극전극판(20), 상기 양극전극판(10) 및 음극전극판(20)상에 도포되어 상기 양극전극판(10)과 음극전극판(20)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세라믹 세퍼레이터 기능막(30,이하 분리막라 한다)이 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 그리고 전극조립체 상부로는 각 전극의 전극리드(15, 25)가 돌출되게 된다.
도 2는 도 1에서 상술한 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 각형 이차전지의 전극조립체의 권취장치의 요부를 개념화단 도면이다.
젤리롤(jelly roll) 타입의 각형 이차전지의 전극조립체의 권취장치는 회전구동력을 제공하는 구동부(2)와 연결되는 권심부재(1)가 구비되며, 상기 권심부재가 회전하며 상술한 양극, 분리막, 음극의 적층구조물이 권취되게 된다.
상기 권심부재(1)은 얇고 육각형의 단면 형상으로 단일재질로 형성되며, 전극조립체의 규격에 따라 그에 맞는 새로운 권심부재(1)가 형성되게 된다. 그러나 이러한 종래의 권심부재(1)의 경우 단변부분의 회전 각속도(X2)와 장변 부분의 회전 각속도(X1)의 차이가 커, 전지의 크기가 커지면 권취(winding) 속도가 느려지며, 이를 극복하기 위해 권취속도를 높이는 경우에는 권취되는 전극에 충격이 가해지게 되는 문제가 발생하게 되는 문제가 발생하게 된다.
등록특허 제10-0646535호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 젤리롤(jelly roll) 타입의 이차전지의 권취장치의 권심의 구조를 다수의 단위권심으로 이루어지는 구조로 형성하여, 각형 이차전지의 선속도의 상이점으로 인한 와인딩(winding) 속도의 저해문제를 해소하고, 권취시 권취되는 전극에 가해지는 회전에 의한 전극 충격을 최소화하여 신뢰성 높은 이차전지를 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 이차전지의 권취장치에 있어서, 축회전을 수행하며 극판을 권취하는 메인권심부; 상기 메인권심부에 일단이 결합되어 외부방향으로 연장되는 커넥팅유닛; 및 상기 지지부재의 타단에 연결되는 다수의 단위권심부;를 포함하는 이차전지의 권취장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 젤리롤(jelly roll) 타입의 이차전지의 권취장치의 권심의 구조를 다수의 단위권심으로 이루어지는 구조로 형성하여, 각형 이차전지의 선속도의 상이점으로 인한 와인딩(winding) 속도의 저해문제를 해소하고, 권취시 권취되는 전극에 가해지는 회전에 의한 전극 충격을 최소화하여 신뢰성 높은 이차전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
나아가, 원기둥 모양의 단위권심의 배치거리를 조절하여 다양한 사이즈의 전지를 제조할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 종래의 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 각형 이차전지의 전극조립체를 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1에서 상술한 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 각형 이차전지의 전극조립체의 권취장치의 요부를 개념화단 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 권취장치의 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 권취장치의 상부 평면도를 도시한 것이다.
도 6은 단위권심의 형상을 도시한 개념도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 권취장치의 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 권취장치의 상부 평면도를 도시한 것이다.
도시된 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 권취장치는 축회전을 수행하며 극판을 권취하는 메인권심부(110)와 상기 메인권심부에 일단이 결합되어 외부방향으로 연장되는 커넥팅유닛(121, 131, 141) 및 상기 커넥팅유닛의 타단에 연결되는 다수의 단위권심부(120, 130, 140)를 포함하여 구성된다.
상기 메인권심부(110)은 상기 커넥팅유닛(121, 131, 141)의 일단이 결합하는 몸체와 상기 몸체에 회전력을 전달하는 구동유닛의 결합구조로 구현될 수 있다.
상기 단위권심부(120, 130, 140)는, 상기 메인권심부(110)의 상부 방향으로 일정한 길이를 구비하는 바타입(bar type)의 구조물로, 권취되는 이차전지의 권취부재와 맞닿는 면이 곡률이 형성되는 구조물로 구현될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 것과 같이, 단면이 원 또는 타원인 원기둥 모향의 구조물이 메인권심부(110)의 상측 방향으로 배열되는 구조로 구현될 수 있다. 물론, 본 발명의 단위권심부의 구조로 단면이 원 또는 타원인 원기둥 모향의 구조물은 일 실시예이며 다양한 형상의 구조물로 변형이 가능하다.
아울러, 상기 단위권심부(120, 130, 140)와 메인권심부(110)를 연결하는 커넥팅유닛(131)은 길이 조절이 가능한 구조로 구현되어, 도 3에 도시된 구조에서 각 단위권심부에 연결되는 커넥팅 유닛(131)의 길이를 줄이는 경우, 도 4와 같이 전체 폭을 줄일 수 있게 구현할 수 있다. 그리고 다수의 단위권심부의 외면을 따라서 전극 부재(양극, 분리막, 음극)가 권취되게 되는바, 전지의 크기를 조절할 수 있게 된다.
상술한 본 발명에 따른 권심의 구조에서, 단위권심으로 나누는 이유는 중대형 전지나 전체적인 전지 셀이 커지는 추세이므로, 와인딩 작업시 하중을 감소하기 위해 효율적으로 무게를 감소시킬 수 있도록 구현할 수 있기 때문이다. 이러한 점에서 본 발명에 따른 권심구조는 최적의 구조로 중량 감소를 통해 공정 효율화를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 단위권심부는, 권취된 이차전지의 폴딩라인(folding line)을 형성하는 기준이 되는 제1권심부(120)을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 도 1에서 상술한 각형 이차전지의 경우에는 권취된 전극조립체의 단면이 타원 형상으로 납작한 구조로 구현되는데, 본 발명에 따른 단위권심부의 외각으로 권취되는 전극조립체는 통상 원통형의 형상이 되는데, 이 경우 납작한 구조로 가압시 폴딩라인을 형성하는 기준이 된다.
도 5를 참조하면, 이는 도 3의 평면도를 도시한 것으로, 중심부의 메인권심부(110)을 중심으로 다수의 단위권심부가 커넥팅유닛을 매개로 연결되어 있다.
이 경우 다수의 단위권심부 중, 권취된 이차전지의 폴딩라인(folding line)을 형성하는 기준이 되는 제1권심부(120)가 한쌍이 상호 대향하는 위치에 배치되도록 하며, 상기 제1권심부(120)은 다른 단위 권심부의 형상과는 다른 형상으로 구현함이 바람직하다. 본 발명에 따른 실시예에서는 제1권심부(120)은 단면의 형상이 납작한 타원 형상, 구체적으로는 상기 메인권심부의 수평축(Y)방향으로 장변이 형성되는 타원구조의 단면을 구비하도록 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 단위 권심부는 상기 제1권심부(120) 이외에도 상기 제1권심부의 배치 위치의 상부인 제1영역 및 상기 제1영역에 대향하는 제2영역에 배치되는 다수의 제2권심부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 도 5의 평면도와 같이, 다수의 원통형 부재(130, 140)이 상기 제1권심부의 상부 영역 및 하부 영역에 더 배치되며, 전체적으로 제1권심부와 제2권심부의 외각이 원통형을 이루도록 구현할 수 있다.
또한, 상기 제2권심부(130, 140)는, 상기 제1영역 및 제2영역에 배치되는 단위권심부의 개수가 동일하도록 배치될 수 있으며, 이웃하는 단위권심부(130, 140) 간의 이격거리를 조절가능하도록 커넥팅유닛(131, 141)과 상기 메인권심부(110) 사이에 수평거리조절부(미도시)를 구비할 수 있다. 즉, 도시된 도면에서 단위권심부(120과 140) 사이의 폭을 좁힐 수 있도록, 상기 메인권시부(110) 상에 커넥팅 유닛의 거리를 늘리거나 줄일 수 있는 가이드 홈 등의 구조를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에서 단위권심부의 길이를 조절할 수 있도록 케넉팅 유닛에 길이조절부(122, 132, 142)를 구비할 수 있다. 상기 길이조절부를 통해 전체 권취장치의 직경을 줄이거나 늘려서 이차전지의 크기를 조절할 수 있도록 할 수 있다. 이러한 길이 조절부는 커넥팅 유닛을 단위개체로 나누어 나사결합이나 슬라이딩 결합하는 구조로 길이 조절을 구현할 수 있다.
도 6은 도 3 및 도 5의 단위권심부의 형상을 도시한 것이다.
(a)에 도시된 것은 제2권심부(130)의 구조로 원통형 구조를 도시한 것으로, 일정한 직경(T2)와 길이(T1)을 구비하는 구조로 길이(T1)은 전극조립체의 크기에 따라 가변될 수 있다. (b)에 도시된 것은 상술한 제1권심부(120)의 구조를 도시한 것으로, 폴딩라인을 구현하기 위해 장축과 단축을 가지는 타원형상의 단면을 가지는 구조로 도시한 것이다. 도시하지는 않았지만, 상기 단위권심부 자체의 길이를 조절할 수 있도록 구현하는 것도 가능하다. 즉 커넥팅 유닛의 길이 조절하는 것과 같이 단위권심부 자체를 분리 결합이 가능한 단위개체로 형성하고 결합을 통해 길이 조절이 가능한 유닛으로 구현할 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 권취장치는 다수의 단위권심으로 이루어지는 구조로 형성하여, 각형 이차전지의 선속도의 상이점으로 인한 와인딩(winding) 속도의 저해문제를 해소하고, 권취시 권취되는 전극에 가해지는 회전에 의한 전극 충격을 최소화할 수 있음은 물론, 커넥팅 유닛의 길이 조절을 통해 다양한 전지 사이즈에도 대응할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 권취장치에 의해 권취된 전극조립체는 권취장치에서 분리된 후 가압공정을 통해 각형 이차전지로 구현할 수 있게 된다.
또한, 이러한 제조공정을 통해 제조된 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등에 적용될 수 있다.
특히, 이러한 전극조립체를 포함하는 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.
다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.
중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 메인권심부
120, 130, 140: 단위권심부
121, 131, 141: 커넥팅유닛
122, 132, 142: 길이조절수단

Claims (11)

  1. 이차전지의 권취장치에 있어서,
    축회전을 수행하며 극판을 권취하는 메인권심부;
    상기 메인권심부에 일단이 결합되어 외부방향으로 연장되는 커넥팅유닛; 및
    상기 지지부재의 타단에 연결되는 다수의 단위권심부;
    를 포함하는 이차전지의 권취장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위권심부는,
    상기 메인권심부의 상부 방향으로 일정한 길이를 구비하는 바타입(bar type)의 구조물로,
    권취되는 이차전지의 권취부재와 맞닿는 면이 곡률이 형성되는 이차전지의 권취장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단위권심부는,
    단면의 형상이 원형 또는 타원형의 구조물인 이차전지의 권취장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위권심부는,
    권취된 이차전지의 폴딩라인(folding line)을 형성하는 기준이 되는 제1권심부를 포함하는 이차전지의 권취장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1권심부는,
    상기 메인권심부의 양측에 한쌍이 대향하는 위치에 배치되는 구조로 형성되는 이차전지의 권취장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1권심부는,
    다른 단위권심부의 단면의 형상과 상이한 구조로 형성되는 이차전지의 권취장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1권심부는,
    상기 메인권심부의 수평축(Y)방향으로 장변이 형성되는 타원구조의 단면을 구비하는 이차전지의 권취장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 단위권심부는,
    상기 제1권심부의 배치 위치의 상부인 제1영역 및 상기 제1영역에 대향하는 제2영역에 배치되는 다수의 제2권심부를 더 포함하는 이차전지의 권취장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2권심부는,
    상기 제1영역 및 제2영역에 배치되는 단위권심부의 개수가 동일한 것을 특징으로 하는 이차전지의 권취장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 다수의 제2권심부는,
    이웃하는 단위권심부 간의 이격거리를 조절가능하도록 커넥팅유닛과 상기 메인권심부 사이에 수평거리조절부를 더 포함하는 이차전지의 권취장치.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커넥팅유닛은,
    상기 메인권심부의 내부방향 또는 외부 방향으로 길이를 조절할 수 있는 길이조절부를 더 포함하는 이차전지의 권취장치.
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