KR20150087208A - 전극 스택을 제작하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

전극 스택을 제작하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편평한 재료, 가령, 가이드 장치(8)에 의해 분리막 필름(1)을 지그재그 방식으로 삽입하면서 전극들을 적층하기 위한 적층 장치와 관련된다. 상기 적층 장치는 적층 테이블(11), 스택을 고정하기 위한 홀더(4; 5), 및 지정된 방식으로 전극(2, 3(을 집고 놓는 그리퍼(6, 7)를 포함하며, 상기 그리퍼는 분리막 필름(1) 내에 형성된 필름 포켓(17)의 목표 성형을 위한 과도 압력 모듈(9)을 가진다.

Description

전극 스택을 제작하기 위한 장치{DEVICE FOR PRODUCING ELECTRODE STACKS}
본 발명은 전극 스택을 제작하기 위한 장치와 관련되며, 특히, 배터리에서 사용되기 위한 전극 스택을 생산하기 위한 장치와 관련된다.
자동차 회사에게, 에너지 저장소, 가령, 배터리 셀의 제작 공정이 상당한 도전 과제이다. 웨이퍼 두께(wafer-thin)의 전극 및 분리막이 1초 미만 내에 ㎛ 정확도로 절단되고 적층되며 전도체에 용접되어야 한다. 이들 얇은 애노드, 캐소드, 및 분리막 층은 가까스로 0.15mm 두께이며, 유연하고, 부분적으로 다공질이며, 크기가 가변적이다.
이는 자동화 전문가를 필요로 하며 사용자가 요구하는 사이클 안정성, 서비스 수명, 및 효율을 지속적으로 만족시키기 위해서는 극도의 정확도를 요구한다.
배터리의 조립의 경우, 전극, 애노드 및 캐소드가 상하로 중간층으로서의 분리막과 교대하여 적층된다. 애노드 및 캐소드 필름을 전극 판으로 절단하고 이들을 시트(sheet)형으로 서로 상하로 적층하고 분리막을 중간에 삽입하여 스택을 만들 수 있는 가능성에 추가로, 편평한 분리막을 재료 롤(material roll)로부터 언롤(unroll)하여 벤딩(bending) 공정에 의해 이를 지그재그 방식으로 배치하는 방법이 존재한다. 애노드 또는 캐소드가 개별 층들 사이의 발생된 포켓(pocket)형 중간 공간 사이로 삽입된다.
문서 DE 10 2010 055 608 A1는 전극 스택을 제작하기 위한 방법을 기재하며, 여기서 전극 스택의 하나의 층이 무한 물질(endless material)로서 존재하고 교대로 접히며, 다른 2개의 층이 접힘으로 인해 발생된 포켓 내부로 삽입된다. 여기서 접힘 공정은 제한 막대(delimiting rod)의 배열을 통해 발생되며, 제한 막대들 사이에 물질이 삽입된다. 그 후 상기 막대는 횡방향으로 회수된다.
문서 DE10 2009 037 727 A1는 애노드, 캐소드, 및 분리막으로 구성된 전극 스택을 제작하기 위한 방법을 기재하며, 여기서 전극 스택의 제 1 층에 대한 제 2 층의 상대적 위치설정이 개선되고, 따라서 전극 판의 완벽한 겹침(overlap)이 획득되어야 한다. 상기 방법은 분리막 층 공급 롤로부터 분리막 층을 공급(feed)하기 위한 장치를 포함한다. 여기서 분리막 재료가 지정된 길이만큼 언롤(unroll)되고 접혀서 전극을 수용할 수 있다. 방향 전환 동안, 인장력이 분리막 시트 상에 가해지고, 그 동안, 전극 판이 유지 장치(retaining device)에 의해 고정된다.
종래 기술에 따르는 제작 방법의 경우, 언롤 공정 및 포켓 형성 공정 동안 방법에 따른 꼬임(twisting)으로 인해, 또는 과도한 인장력으로 인해 분리막 물질이 찢어지고 따라서 현재의 전체 스택이 사용될 수 없다는 문제점이 발생한다. 완전 자동화된 제작 공정이 방해되고 사이클 시간이 더 이상 유지될 수 없다. 따라서 기계의 성능이 제한된다. 경제적 단점이 사이클 시간의 증가와 함께 제작 공정의 중단으로부터 초래된다.
본 발명은 복수의 층으로 서로 하나씩 차례로 배열되는 개별 층, 가령, 양극, 음극, 및 이들 사이에 삽입되는 분리막 필름을 포함하는 전극 스택을 제작하기 위한 장치이다.
본 발명의 목적은 장치를 특정하는 것인데, 상기 장치에 의해, 전극 스택의 제작 동안, 분리막 필름이 전극 스택의 양 측부 상에서 우수한 접힘 품질(fold quality)을 갖고 재료에 긱O적으로 손상을 주지 않으면서 교대로 접히며, 발생하는 인장 및 압축 스트레스의 개선된 분포로 인해 더 신속하게 적층(stack)하는 것이 가능해 진다.
이를 위해, 본 발명에 따르는 장치에 의해, 형성된 접힘부(fold)에 가능한 가까이 위치하는 홀더(holder)가 전체 폭에 걸쳐 분리막에 대해 접힐 재료를 고정시키고, 분리막 필름의 전체 폭에 걸쳐 본 발명에 따르는 과도 압력 모듈로부터의 가스 흐름으로 인해 포켓 형성이 발생됨으로써, 손상 없고 부드러운 접힘이 이뤄진다.
본 발명은 배터리/축전지의 유형에 대한 전극 스택 제작 시 사용에 국한되지 않고, 오히려, 편평하고, 휘어질 수 있는 필름이 추가 공정을 위해 가공되어야 하는 경우라면 언제나 사용될 수 있다. 본 발명은 매우 얇고 고도로 민감한 분리막 필름의 사용에 특히 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따르는 장치를 이용해, 더 빠른 사이클 시간이 획득되는 것이 가능하며, 따라서 기계는 더 고속으로 운영될 수 있고, 이로 인해 생산성이 증가되고 제작이 비용 효율적이 될 수 있다.
이 목적은 청구항 제1항의 특징에 따르는 본 발명에 의해 이뤄진다. 본 발명의 바람직한 추가 설계가 상기 제1항의 종속 청구항 및 상세한 설명으로부터 자명하다.
이 목적은 다음을 포함하는 장치에 의해 달성된다:
- 전극 층을 놓고 적층하기 위한 적층 테이블,
- 전지 요소, 특히, 전극을 집고 놓기 위한 적어도 하나의 그리퍼,
- (무한 재료(endless material)를 포함하는) 서플라이 롤(supply roll)을 구비하는 공급 장치
- 필름 접기를 위한 가이드 장치,
- 및 전극 스택의 각각의 측부에 위치하는 홀더.
본 발명에 따라 적어도 하나의 그리퍼가 적어도 하나의 측부에 가스 유출 노즐을 갖는 과도 압력 모듈을 포함하며, 상기 과도 압력 모듈은 전극을 놓는 동안 전지 요소들 사이에 지그재그 방식으로 배치될 무한 재료의 접힘 공정에 바람직하게 영향을 미친다.
본 발명에 따르는 장치의 경우, 각각의 경우, 홀더가 전극들 및 이들 중간에 삽입된 분리막을 포함하는 이미 배치된 스택을 고정하는 역할을 하는 배치 테이블(placing table)을 통해 각각의 측부에 제공된다. 상기 홀더는 적층 공정을위해 x 및 z 방향으로 배치 테이블에 평행하게 이동될 수 있다. 적층 동안 그리퍼를 이용해 전극이 흡입(suction)되고 적층 테이블로 이동된 후, 놓기 동안, 그리퍼에 위치하는 본 발명에 따르는 과도 압력 모듈의 유출 노즐로부터 빠져 나오는 가스 흐름에 의해, 다음 필름 포켓이 횡방향으로 위치된 분리막 필름에서 성형됨으로써, 홀더 및 배치 이동과 관련하여, 분리막 필름의 부드럽고 손상없는 접힘이 가능하다.
홀더의 접힘 공정 및 배치가 홀더의 내부상의 노즐을 빠져 나오는 가스 흐름에 의해 훨씬 더 부드럽게 설계될 수 있다. 가령, 그리퍼, 또는 각각의 홀더에서 사용되는 가스는 세정되고 이온화된 공기인 것이 바람직하다.
덧붙여, 접힘 및 배치 공정이 홀더의 내부에 위치하는 롤러에 의해 더 부드럽게 형성될 수 있다.
본 발명은 다음에서 도 1 내지 8을 참조하여 더 상세하게 기재되며, 여기서 단지 예시로서 나타난 유형의 실시예에 본 발명은 어떠한 식으로도 제한되지 않는다.
도 1은 제 1 전극(2)을 놓는(put down) 상황에서의 본 발명에 따르는 장치의 원리를 나타낸다.
도 2는 (제 1 전극(2)이 고정된) 분리막 필름(1)을 뒤집는 동안의, 제 1 전극을 놓은 후의 장치를 도시한다.
도 3은 제 2 전극(3)을 놓는 상황에서의 본 발명에 따르는 장치의 원리를 나타낸다.
도 4는 (제 1 및 제 2 전극(2, 3)이 고정된) 다른 측부 상에서의 분리막 필름(1)을 뒤집은 후의 제 2 전극(3)을 놓은 후의 장치를 도시한다.
도 5는 제 3 전극(2)을 놓은 상황에서의 본 발명에 따르는 장치의 원리를 나타낸다.
도 6은 홀더(4, 5)에서의 저압 모듈(9)을 이용해 외부로부터 분리막 필름(1)의 뒤집기 및 접기를 보조하는 본 발명에 따르는 장치의 설계를 도시한다.
도 7은 홀더에서의 유출 노즐(20)로부터의 가스 흐름(21)을 이용해 분리막 필름(1)의 뒤집기 및 접기를 보조하는 장치를 도시한다.
도 8은 홀더(4, 5)에서의 방향 전환 롤러(19)를 이용해 분리막 필름(1)의 뒤집기 및 접기를 지원하는 장치를 도시한다.
도 1에 따라, 본 발명에 따르는 홀더(5)가 우선, 적층 테이블(11) 상에 분리막 필름(1)의 시작 부분을 고정하고, 그리퍼(6)가 전극의 공급 스택(상세히 도시되지 않음)으로부터 이동된 전극(2)을 적층 테이블(11) 상의 분리막 필름(1) 상에 놓는다. 전극을 핸들링하기 위한 상기 그리퍼(6)는, 예를 들어, 일반적인 흡입 그리퍼일 수 있다.
과도 압력 모듈(excess pressure module)(9)이 본 발명에 따르는 공급되는 분리막 필름(1)의 방향으로 횡방향으로 그리퍼(6)에 배열된다. 분리막 필름(1)의 접힘이 그리퍼(6)에 배열된 과도 압력 모듈(9)로부터의 가스 흐름(10)에 의해, 분리막 필름(1)의 접힘이 획득되는 곳에서 필름 포켓(17)이 형성된다. 서플라이 롤(supply roll)(상세히 도시되지 않음)로부터 가이드 장치(guiding device)(8)까지의 분리막 필름(1)의 공급은 종래 방식대로 이뤄진다. 이 목적을 위해 필요한 드라이브 롤, 텐션 롤러(tension roller), 아이들 롤러(idle roller), 방향전환 롤러(redirection roller)에 의한 드라이브 기법이 공지된 바 있으며 구체적으로 기재되지 않는다.
도 2는 (고정된 제 1 전극(2)과 함께) 분리막 필름(1)을 뒤집는 동안 제 1 전극(2)을 배치시킨 후의 장치를 도시한다.
홀더(4)가 전극(2) 상에 접힌 분리막 필름(1)을 고정시킨 후, 좌측부 상에서 이동되는 가이드 장치(8)에 의해 전극(2)이 분리막 필름(1)으로 덮인다. 홀더(5)는 새 필름 포켓(17)을 형성하기 위한 영역을 노출시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 1의 거울-이미지에서, 그리퍼(7)를 이용해 추가 전극(3)이 스택 상에 놓여지고, 이를 수행할 때, 새 필름 포켓(17)이 분리막 필름(1)의 포장(wrap)을 위해 형성된다.
바람직하게는, 전극(2, 3)을 위치설정하고 놓는 동안, 그리퍼(6, 7)가 유지된 전극(2, 3)과 함께 필름 포켓(17)의 방향으로 약간 측방으로 기울어짐으로써, 필름 포켓(17) 형성 영역 내에서의 개선된 위치설정을 획득하고, 전극(2, 3)과 이에 대향하여 놓인 홀더(4, 5)(도 1 및 5 참조)의 충돌을 피할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르는 장치에서, 필름 포켓(17)의 방향에서 그리고 이에 대향하는 방향에서 전극(2, 3)의 오버행(overhang)(18)이 있도록 그리퍼(6, 7)의 폭이 형성되다, 즉, 전극(2, 3)이 그리퍼(6, 7) 너머까지 뻗어 있다. 형성되는 필름 포켓(17)의 크기가 가이드 장치(8) 상의 고정 점(13)과 홀더(4, 5) 상의 고정 점(14) 사이의 자유 분리막 길이에 따라 달라진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전극(3)을 전극 스택 상에 놓은 후, 형성된 필름 포켓(17) 위에 위치하는 홀더(5)는 새로 놓인 전극(3) 및 분리막 필름(1)의 마지막으로 형성된 필름 포켓(17)을 포함하는 전극 스택을 고정시킨다. 대향하는 홀더(4)가 적층 테이블(stacking table)(11) 외부의 휴지 위치(rest position)로 이동된다. 다음 전극이 배치되기 위해, 그리퍼(6, 7)를 전극 스택 상의 배치 영역 밖으로 이동시킨 후, 가이드 장치(8)에 의해 분리막 필름(1)이 적층 테이블(11)의 다른 측부 상으로 안내된다.
도 5는 다음 전극(2)의 배치를 도시하며, 여기서 그리퍼(6) 상에 위치하는 과도 압력 모듈(9)로부터의 가스 흐름(10)을 다시 이용하여, 다음 필름 포켓(17)이 분리막 필름(1)에 의해 형성된다.
도 6에 도시된 본 발명의 추가 실시예에서, 저압 모듈(15)이 홀더(4, 5) 아래에 배열된다. 상기 저압 모듈(15)은 필름 포켓(17)을 추가로 형성하기 위해 기능하며, 여기서 흡입 노즐(22)이 필름 포켓(17)이 형성될 방향으로 저압 모듈(15)에 배열된다.
도 7이 본 발명의 실시예를 도시하며, 여기서 필름 접힘은 홀더(4, 5)에서의 유출 노즐(20)로부터의 가스 흐름(21)에 의해 보조된다.
도 8이 본 발명의 실시예를 도시하며, 여기서 홀더(4, 5)에 전극 스택 상의 부드러운 배치를 위해 방향 전환 롤러(19)가 구비된다.
1 분리막 필름
2 전극
3 전극
4 우측 홀더
5 좌측 홀더
6 우측 그리퍼, 과도 압력 모듈
7 좌측 그리퍼, 과도 압력 모듈
8 가이드 장치
9 유출 노즐을 갖는 과도 압력 모듈
10 가스 흐름
11 적층 테이블
12 가이드 장치의 이동 방향
13 필름 가이드의 고정 점
14 홀더의 고정 점
15 저압 모듈
16 분리막 필름의 공급
17 필름 포켓
18 전극의 오버행
19 홀더에서의 방향 전환 롤러
20 홀더에서의 유출 노즐
21 홀더의 가스 흐름
22 흡입 노즐

Claims (12)

  1. 양극, 음극(2, 3) 및 지그재그 접힘(zig-zag folding)을 이용해 삽입 배열되는 분리막 필름(1)을 갖는 전극 스택을 제작하기 위한 장치로서, 상기 장치는 무한 롤(endless roll)로부터 분리막 필름(1)을 공급하기 위한 적어도 하나의 가이드 장치(8), 전극 스택을 수용하기 위한 적층 테이블(11) 및 상기 전극(2, 3)을 집고(pick) 놓기(put) 위한 적어도 하나의 그리퍼(6, 7)를 가지며,
    지향된 가스 흐름(10)을 생성하여 상기 가스 흐름(10)이 과도 압력 모듈(9)로부터 빠져나와 상기 분리막 필름(1)의 방향 전환을 통해 필름 포켓(17)을 형성하도록 상기 과도 압력 모듈(9)이 상기 그리퍼(6, 7)에 배열되고, 상기 홀더(4, 5)는 형성된 필름 포켓(17)을 고정하는 적층 테이블(11)의 각각의 측부 상에 배열되는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 홀더(4, 5)는 분리막 필름(1)의 폭 이상의 폭을 갖는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 그리퍼(6, 7)는 집고 놓을 전극(2, 3)보다 좁게 구현되며 전극(2, 3)의 오버행(18)이 형성되는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가이드 장치(8)는 교대로 이동 가능한, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서, 가스 흐름(10)은 공기 흐름이며, 바람직하게는 세정되고 이온화된 공기 흐름인, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 그리퍼(6, 7)는 적층 테이블(11)에 평행하게 배열되는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 그리퍼(6, 7)는, 가장 낮은 곳이 분리막 필름(1) 내에서의 포켓(17)의 형성 방향에 위치하도록 기울여 배열되는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 홀더(4, 5)는 적층 테이블(11)에 x-z 평면으로 이동될 수 있는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리막 필름(1)은 가이드 장치(8)에 의해 고정 점(13)에 고정될 수 있는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 필름 포켓(1)의 추가 성형을 위한 저압 모듈(15)이 홀더(4, 5) 아래에 배열되는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 홀더(4, 5)의 분리막 필름(1)을 바라 보는 내부 상에 제공되는 방향 전환 롤러(19)가 분리막 필름(1)의 접힘을 보조하는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 홀더(4, 5)의 분리막 필름(1)을 바라 보는 내부 상에 제공되는 유출 노즐(20)로부터의 가스 흐름(21)이 분리막 필름(1)의 접힘을 보조하는, 전극 스택을 제작하기 위한 장치.
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