KR20150089036A - 전기화학 전지를 제조하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

전기화학 전지를 제조하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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한네스 볼프
클라우스 라이트너
안드레아스 뮐러
아르민 브렌너
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바스프 에스이
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Abstract

본 발명은 전기화학 전지, 바람직하게는 리튬-이온 전지를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 하나 이상의 저장 배치 위치(13, 15, 17, 19), 하나 이상의 조립 배치 위치(2, 4), 그리퍼(150)를 갖는 로봇 시스템(3), 세정 스테이션을 갖는 피펫팅 장치(5), 전지 적층체를 폐쇄하기 위한 도구, 및 구성요소를 수용하기 위한 홈을 갖는 하나 이상의 저장 트레이를 포함하고, 상기 홈의 총 수는 2개 이상, 바람직하게는 4개 이상, 더욱 바람직하게는 6개 이상이다. 전지를 조립하기 위하여, 저장 트레이의 개별적인 구성요소(E1 내지 E5)를 저장 배치 위치에 위치시키고, 그로부터 자동으로 조립 구역으로 이동시키고 그리퍼에 의해 배치시킨다. 구성요소 E2와 E3 사이, 또한 구성요소 E3와 E4 사이의 구역을 전해질로 충전시킨다. 상기 장치의 특성적인 특징은 상이한 방법 매개변수의 변화와 관련하여 매우 융통성있는 사용, 높은 처리량, 및 제조된 리튬-이온 전지의 낮은 폐기율(scrap rate)을 포함한다.

Description

전기화학 전지를 제조하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING ELECTROCHEMICAL CELLS}
전지화학 전지는 에너지 저장 수단으로서 산업상 매우 중요하다. 본 발명은 전기화학 전지, 바람직하게는 리튬-이온 전지를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치는 하나 이상의 배치 위치(13, 15, 17, 19), 조립 위치(2, 4), 그리퍼(150)를 갖는 배치 시스템(3), 세정 스테이션을 갖는 자동화된 피펫팅(pipetting) 장치(5), 적층(stacking)에 의해 조립된 전지를 밀봉하기 위한 도구, 및 구성요소를 수용하기 위한 오목부를 갖는 하나 이상의 트레이를 포함하고, 상기 오목부의 수는 총 2개 이상, 바람직하게는 4개 이상, 특히 바람직하게는 6개 이상이다. 장치에는 또한 천칭(1) 및/또는 카메라(25)가 설치될 수 있다. 장치의 모듈은 하우징(8), 바람직하게는 글러브박스로 바람직하게 에워싸인다. 하우징은 하나 이상의 에어록(23)과 작동가능하게 연결된다.
전기화학 전지의 대량 생산을 위한 자동화된 제조 장치는 종래 기술로부터 공지되어 있다. 그러나, 대량 생산을 위한 자동화된 제조 장치는 전기화학 전지의 제조 동안 제조 매개변수에서의 변화를 허용하지 않는다. 이러한 종류의 자동화된 장치로는 신규의 개선된 전기화학 전지를 개발하지 못한다.
예를 들어, 종래 기술, 구체적으로 CN 102290602 호, CN 201540925 호 및 CN 201829565 호는 회전 테이블 또는 운송 테이블의 사용에 기초한 유형의 장치를 개시한다. 회전 테이블 둘레에 전지 제조를 위한 다양한 제조 스테이션이 배열된다. 구성요소를 회전 테이블 표면의 중심 지점 둘레에 원형으로 위치시키고, 회전 이동에 의해 제조 스테이션의 개별적인 지점으로 이동시킨다.
CN 102013496 호는 또한 호일 케이싱을 조립하기 위한 장치를 개시한다. 케이싱은 장치의 종축을 따라 컨베이어 벨트 상에서 운송되는데, 다양한 위치에서 동일한 공정 단계가 반복적으로 수행된다.
종래 기술은 개별적인 제조 장치를 에워싸는 하우징에 대해 아무런 세부사항을 기재하지 않고 있다. 그러나, 제조 장치가 Li 전지를 제조하는데 사용되는 것으로 언급되기 때문에, 제조 장치는 보호 대역에 위치되어야만 하는 것으로 생각되어야 한다. Li 전지가 제조되고 있기 때문에 적어도 산소 및 대기중의 습기를 배제하면서 전지를 제조하도록 보장해야 한다.
상기와는 별도로, 종래 기술은 또한 배터리 전지의 제조에서 모듈로서 사용될 수 있는 개별적인 도구를 개시한다. 이들은 전지 구성요소를 취급하기 위해 사용될 수 있는 그리퍼이다.
CN 201540925 호는 호일을 취급하기 위한 수단을 개시한다.
CN 102044663 호는 호일 전극을 적층시키기 위한 방법 및 장치를 개시한다.
자동화된 배터리 제조 방법이 또한 문헌[예를 들어, 리(Li, Sha), 왕(Wang, Hui), 후(Hu, S. Jack), 린(Lin, Yhu-Tin), 아벨(Abell, Jeffrey A.), J. of Manufacturing Systems 30 (2011), p. 188-195]에 기재되어 있다. 자동화된 배터리 제조 방법은 일반적으로 복수개의 동일한 전지(이는 구체적으로 동일한 전극 및 전해질임)로부터 배터리를 제조하는데 관한 것이다. 이 때, 복수개의 전지는 민감한 개별적인 파우치 전지의 적층체(stack)로부터 제조되며, 따라서 엄격한 취급 조건을 수반한다.
전기화학 전지를 개발함에 있어서의 한 가지 목적은 긴 사용 수명을 갖고 저장된 에너지를 매우 단시간에 불러올 수 있는 전기화학 전지를 수득하는 것이다. 현재까지 제조된 Li-이온 전지는 예를 들어 70 내지 150Wh/kg일 수 있는 값을 갖는 에너지 저장 밀도를 갖는다. 그러나, Li 전지의 에너지 밀도의 이론적인 한계는 더 높다. 따라서, 에너지 밀도를 추가로 더 상승시킬 수 있을 것으로 생각된다. 에너지 밀도에 더하여 최적화를 위한 다른 목적은 순환능 및 정격 하중이다. 대조적으로, 납-황산 저장 배터리는 30 내지 40Wh/kg의 값을 갖는 에너지 밀도를 가진다. 실제로 이전에 수득된 에너지 밀도와 이론적으로 획득할 수 있는 에너지 밀도 사이의 큰 차이 때문에, 연구개발팀이 더욱 우수한 성능 특징을 나타내는 신규 전기화학 전지를 밝혀낼 가능성은 여전히 크다.
본 발명의 목적중 하나는 극히 융통성 있게 만들어질 수 있는 전기화학 전지를 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적 및 추가적인 목적은, 하나 이상의 배치 위치(13, 15, 17, 19), 조립 위치(2), 그리퍼(150)를 갖는 배치 시스템(3), 세정 스테이션을 갖는 자동화된 피펫팅 장치(5), 적층에 의해 조립된 전지를 밀봉하기 위한 도구, 및 구성요소를 수용하기 위한 오목부를 갖는 하나 이상의 트레이를 포함하되, 상기 오목부의 수가 총 2개 이상, 바람직하게는 4개 이상, 특히 바람직하게는 6개 이상인, 전기화학 전지를 제조하기 위한 장치가 제공될 때 달성된다.
도 1은 평면도 형태의 조립 장치의 개략도를 도시한다. 도시된 장치에는 2개의 에어록(23, 10)이 설치되어 있다. 배치 위치(13, 15, 17, 19)가 4개의 트레이를 갖는 글러브박스 내부에 위치하고, 전해질 용기를 갖는 트레이(참조 기호가 없음)가 배치 위치 위에 위치된다.
도 2a는 분리막 요소(103)의 요면(101)에 놓이는 전지(102)의 구성요소의 개략도를 도시한다.
도 2b는 5개의 분리막 요소(103) 및 5개의 구성요소(102)의 적층체-형상의 배열의 개략도를 도시한다. 개별적인 분리막 요소의 상부의 바깥쪽 대역에는 오목부가 위치하는데, 그 위에 위치하는 분리막 요소의 중심 러그가 그 안에 고정된다.
도 2c는 2개의 오목부 및 요소를 취급하기 위한 그리퍼를 볼 수 있는, 트레이(152)의 측면도를 도시한다.
도 3은 4개의 오목부가 설치된 트레이의 평면도의 개략도를 도시한다. 오목부중 3개에는 구성요소 및 분리막 요소가 위치하고, 네 번째 오목부는 구성요소를 갖지 않은 채로 유지되어 있다.
도 4a는 전극 요소를 먼저 적층체(200)로부터 천칭(201)으로 옮긴 다음 칭량 결과의 함수로서 조립 스테이션(202) 또는 폐기물 위치(203)로 옮기는, 전극 요소를 매칭시킬 때의 방법 단계의 개략도를 도시한다. 폐기물 위치에 놓이는 요소는 추가적으로 사용하고자 하지 않으며 폐기된다.
도 4b는 전극 요소를 매칭시킬 때의 방법 단계의, 도 4a에 도시된 흐름도에 상응하는 개략도를 도시한다. 도 4a에 도시된 도면과는 대조적으로, 장치에는 캐쏘드 및 애노드가 별도의 적층체로부터 공급되도록 전극 요소의 별도의 적층체가 설치되어 있다.
도 5a는 각각의 측부에 2개의 연결 요소(220, 222)(평면도에서는 후크 형상의 연결 요소)를 포함하는, 6×3개의 오목부가 설치된 트레이의 평면도의 개략도를 도시한다.
도 5b는 후크 형상의 연결 요소(220)를 통해 서로 연결되는 2개의 트레이의 측면도를 도시한다.
도 5c는 도 5a의 트레이와 유사하지만 측부에 다른 자기 연결 요소를 포함하는, 6×3개의 오목부가 설치된 트레이의 개략도를 도시한다.
도 6a는 자기 연결 요소의 개략도, 도 5c의 연결 요소(220)의 세부도를 도시한다.
도 6b는 세정 액체 또는 액체 폐기물용 용기가 설치된 장치의 개략도를 도시한다.
도면 부호에 대한 간단한 설명
1: 천칭
2: 파우치 전지용 조립 스테이션
3: 이 경우에는 갠트리 시스템의 형태를 취하는, 전지의 개별적인 구성요소를 취급하는 시스템.
4: 코인 전지용 조립 스테이션
5: 이 경우에는 피펫팅 암 형태의, 액체용 취급 시스템
6: 존재하지 않음
7: 이 경우에는 갠트리 시스템 형태의, 레일 시스템, 취급 시스템
8: 글러브박스, 조립 모듈용 대역
9: 에어록 문
10: 가열 없는 에어록, 열처리를 필요로 하지 않는 물체를 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 옮김
11: 가열 처리를 필요로 하지 않는 물체, 예를 들면 액체용 바이알의 배치 위치
12: 조립 대역와 에어록 대역을 분리하기 위한 내부의 에어록 문
13, 15, 17, 19: 조립되어야 하는 전지 구성요소용 트레이의 배치 위치. 이들은 캐쏘드, 애노드, 분리막 및 케이싱 부분이다. 취급 시스템과 관련하여 한정된 위치가 수득되도록, 트레이는 보유 시스템에 단단히 클램핑된다.
14, 16, 18, 30: 주위로부터의 기밀 밀봉을 제공하는 글러브. 이들은 선반의 취급을 가능케 한다.
21: 가열된 에어록과 작업 대역 사이의 에어록 문
22: 컨디셔닝 단계를 거치는 물체, 예컨대 캐쏘드 및 애노드의 배치 위치
23: 가열된 에어록
24: 외부로의 에어록 문
25: 위치를 측정하고 결합을 확인하기 위한 카메라
100: 분리막 요소의 바닥의 외부 대역에서의 중심 결정 러그
101: 전지 구성요소를 수용하기 위한 요면
102: 전지의 기계적인 구성요소, 즉 캐쏘드, 애노드, 분리막, 케이싱 부품(들)
103: 분리막 요소
150: 취급 시스템의 그리퍼
151: 빈 분리막 요소
152: 트레이
153: 구성요소가 위치하는 분리막 요소
180: 트레이
181: 오목부
200: 캐쏘드 또는 에노드 공급원
201: 천칭, +/-0.5mg, 바람직하게는 +/-0.1mg, 더욱 바람직하게는 +/-0.05mg 이상의 분석도
202: 조립 스테이션
203: 폐기물 위치
204: 캐쏘드 공급원
205: 애노드 공급원
206: 구성요소가 공차 여유분 내에 있는 경우의 방법 단계
207: 구성요소가 공차 여유분 외에 있는 경우의 방법 단계
220: 연결부
221: 자석
222: 후크
224: 후크, 후크(222)에 대해 상보적임
225: 스프링
226: 압력 분배 디스크
227: 보유 수단, 예컨대 너트
228: 보유 봉
250: 불활성 기체의 기체 공급원
251: 불활성 기체를 공급하기 위한 라인
252: 불활성 기체용 셧오프
253: 불활성 기체용 용기로의 라인
254: 액체 용기
255: 불활성 기체용 유출 라인
256: 세정 액체용 용기; 도시된 변화는 공급을 위한 침치관의 경우, 관(256)이 용기 바닥보다 수cm 위에서 끝난다는 것이며; 액체 방출을 위한 변형에서, 관(256)은 용기 내로 수cm만 연장된다.
257: 용기를 설치된 상태에서 분리하기 위한 연결부
258: 불활성 기체를 방출시키기 위한 라인
259: 방출 라인용 셧오프
260: 공급/방출 라인 설치시 셧오프
261: 공급/방출 라인 설치시 셧오프
262: 글러브박스
263: 액체에 요구되는, 글러브박스 내부의 장치
전기화학 전지를 제조하기 위한 장치
바람직한 실시양태에서, 장치는 천칭(1) 및/또는 장치의 기판 영역에 배열되는 하나 이상의 카메라(25)를 포함한다. 제 1 카메라의 렌즈는 수직 상향 배향된다.
그리퍼에 집히는 구성요소의 측방향 위치는 카메라에 의해 결정된다. 이러한 위치 결정은 구성요소를 위치시킬 때 위치 보정을 수행할 수 있도록 한다. 구성요소 배치 정확도가 증가된다. 동시에, 바람직한 실시양태에서는, 카메라에 의해 개별적인 구성요소, 특히 전극 및/또는 분리막의 바닥의 표면 분석을 수행할 수 있다. (바람직하게는 전극 또는 분리막의) 표면 분석 특징 결정 데이터는 순서 제어 시스템에 의해 획득되고 데이터베이스에 저장된다. 바람직한 실시양태에서는, 카메라로부터의 이미지 데이터를 참조 데이터와 비교하고, 현재 집힌 부품을 분류하기 위한 결정 기초로서 사용한다. 이 공정은 순서 제어 시스템 또는 프로그램 소프트웨어에서 실행된다.
다른 실시양태에서는, 하우징의 상부에 배열되고 그의 렌즈가 기판을 향해 바로 수직으로 배향되는 제 2 카메라(25')가 설치된다. 이 카메라는 바람직하게는 천칭(1) 위의 영역에 배열된다. 개별적인 구성요소, 바람직하게는 전극 및/또는 분리막의 상부를 제 2 카메라에 의해 분석한다. 순서 제어 시스템에 의해 표면 분석 데이터를 획득하고 데이터베이스에 저장한다. 다른 바람직한 실시양태에서는, 이들 이미지 데이터를 참조 데이터와 비교하고, 현재 평가되는 구성요소를 분류하기 위한 결정 기초로서 사용한다. 이 공정은 순서 제어 시스템 또는 소프트웨어에 의해 실행된다.
상기 장치가, 트레이를 하나 이상의 배치 위치(13, 15, 17, 19)로 또는 트레이들을 배치 위치들로 이동시키기 위한 수단을 포함하는 것이 또한 바람직하다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 장치는 Li-이온 전지를 제조하기 위한 장치이며, 개별적인 모듈은 하우징(8), 바람직하게는 글러브박스에 의해 에워싸이고, 하우징은 하나 이상의 에어록(23), 바람직하게는 2개의 에어록(23, 10)과 작동가능하게 연결된다. 글러브박스(8)는 그의 내부의 대기를 제어하고 모니터링하는 수단을 함유한다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 장치는 기판을 포함하고, 기판은 예를 들어 100cm×200cm의 크기를 갖는다. 기판 및 아래에 기재되는 구성요소는 글러브박스로 에워싸인다. 글러브박스의 주된 기능은 공기 및 대기중 습기를 조립 대역으로부터 멀리 유지시키는 것이다. 글러브박스는 바람직하게는 기체 대기를 모니터링 및 제어하는 수단을 포함하고, 이 수단에 의해 기체 대기가 목적성 있게 미리 결정될 수 있다. 기체 공급 라인은 또한 기체 정제 수단을 가질 수 있다.
배치 위치는 바람직하게는 트레이의 위치를 인지하기 위한 수단을 갖는다.
다른 바람직한 실시양태에서, 장치는 배치 대역, 조립 대역 및/또는 에어록 대역에 위치하는 가이드를 포함한다. 트레이는 예를 들어 가이드를 따라 높아진 배치 정확도로 배치 대역에서 이동하고 선택된 위치에 고정된다. 따라서, 배치 동안의 위치 인지 수단에 더하여, 적절한 고정 수단도 바람직하게 존재한다. 정확한 공간상 배치 및 고정은 그리퍼가 높아진 배치 정확도로 구성요소를 집을 수 있음을 의미하기 때문에 특히 유리하다.
에어록 대역에서, 가이드는 또한 트레이를 수용하기 위한 마운트로서도 작용할 수 있다. 바람직하게는 트레이를 적층할 수 있고, 복수개의 트레이를 에어록 내에서 서로 적층할 수 있다. 트레이를 에어록에서 글러브박스로 옮길 때에는, 먼저 복수개의 트레이의 전체 적층체를 에어록에서 가이드를 따라 글러브박스의 내부로 이동시킬 수 있다. 복수개의 로딩된 트레이가 동시에 내부로 옮겨지는 경우에는 적층체로부터의 적층된 트레이를 개별적인 배치 위치로 이동시키기 위하여 글러브박스 내부에서 더 많은 공간을 이용할 수 있다.
배치 대역에서 구체적인 배치 위치에 트레이를 고정시킬 때 높아진 배치 정확도는 그리퍼가 오목부로 향하고 그 안에 위치한 구성요소를 집어올리는 것을 돕기 때문에 중요하다. 전기화학 전지를 제조하는데 사용되는 구성요소는 부분적으로는 치수가 매우 작을 수 있고 또한 질량이 매우 적을 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 그리퍼가 본질적으로 문제 없이 개별적인 구성요소를 집어들고 취급할 수 있도록 한다.
오목부가 제공되는 트레이는 본 발명의 본질적인 특징부인데, 이들 트레이가 본 발명에 따른 장치에서 상호 교환될 수 있고 매우 융통성있게 사용될 수 있기 때문이다. 또한 개별적인 트레이에 수반되는 정보가 순서 제어 시스템에 저장되는 것도 중요하다. 이 정보는 예를 들어 오목부의 수 my, 오목부의 크기, 및 이들의 형상과 위치 좌표를 포함한다. 오목부의 수는 제조되는 전지의 크기에 의해 결정된다. 예를 들어, 코인 전지를 제조하기 위한 오목부의 수는 파우치 전지를 제조하기 위한 오목부의 수보다 더 많다. 또한, 개별적인 오목부가 구성요소를 보유하는 방법에 관한 정보가 순서 제어 시스템에 저장된다.
트레이를 수용하기 위한 하나 이상의 위치가 배치 위치(13, 15, 17, 19) 영역에서 항상 이용가능해야 한다. 그러나, 바람직하게는, 배치 위치는 트레이를 수용하기 위한 위치를 둘 이상 갖는다. 동일한 치수를 갖는 트레이가 바람직하게는 항상 개별적인 위치에 배정되는데, 이후 이들을 공급 레일에 의해 용이하게 내부로 옮기고 배치시키고 고정시킬 수 있기 때문이다.
바람직한 실시양태에서, 모든 트레이는 동일한 치수이고, 배치 위치 또는 배치 위치들(13, 15, 17, 19)의 모든 위치에서 고정될 수 있다. 트레이의 상호 교환 가능성은 장치의 매우 융통성 있는 사용에 중요하다. 예를 들어, 장치는 코인 전지를 제조하기 위한 사용으로부터 파우치 전지를 제조하기 위한 사용으로, 또한 그 반대로 매우 간단히 변화될 수 있다. 장치가 코인 전지를 밀봉하기 위한 수단 및 파우치 전지를 밀봉하기 위한 수단 둘 다를 갖는다면, 두 유형의 전지를 교대로 연속해서 제조할 수 있다. 전지를 밀봉하기 위한 수단은 바람직하게는 개별적인 가공 스테이션의 형태를 취할 수 있다.
배치 대역은 예를 들어 하나의 종방향 가장자리를 따라 기판 상에 배열된다. 반대쪽 종방향 가장자리를 따라서는 전지를 제조하기 위한 개별적인 방법 단계를 수행하기 위한 복수개의 측정 스테이션 및 가공 스테이션이 위치된다. 바람직한 실시양태에서, 가공 스테이션은 천칭(1), 이미지 인지 소프트웨어를 갖는 전자 카메라(25), 전기화학 전지를 밀봉하기 위한 수단, 예를 들어 코인 전지를 제조하기 위한 프레스, 액체 전해질을 분배하기 위한 자동화된 피펫팅 장치(5), 및 자동화된 피펫팅 장치의 선단을 세정하기 위한 스테이션을 포함한다. 다른 실시양태에서는, 프레스 대신 파우치 전지를 제조하기 위한 더욱 복잡한 스테이션이 제공된다. 코인 전지를 밀봉하기 위한 수단 및 파우치 전지를 밀봉하기 위한 모듈을 둘 다 제공할 수도 있다.
글러브박스(8)에는 그리퍼(150)에 의해 기판 위의 임의의 지점에 도달할 수 있는 배치 시스템(3)이 위치된다. 달성되는 배치 정확도는 바람직하게는 0.4mm, 더욱 바람직하게는 0.2mm, 특히 바람직하게는 0.1mm에 달한다. 언급된 구성요소는 모두 가공 스테이션 및 운송 단계를 조정하는 제어 컴퓨터와 전자적으로 연통된다. 도 1은 개략적인 평면도이다. 배치 시스템은 예를 들어 갠트리(gantry) 시스템(3) 또는 버클링 암 로봇(buckling arm robot)(3')의 형태를 취할 수 있다. 임의의 다른 종류의 배치도 마찬가지로 이용될 수 있다.
갠트리 시스템의 그리퍼 암 및 그리퍼(150)와 관련하여, 그리퍼의 크기가 배치되는 물체에 적합화되는 것으로 언급될 수 있으며, 그리퍼는 바람직하게는 흡입 그리퍼인데 배치되는 평면상 구성요소에 바람직하기 때문이다. 흡입 그리퍼는 하나 이상의 평면상 작업 표면을 필요로 한다. 이는 특히 대칭 구성요소를 회전 방식으로 집어올리는 경우에 중요하다. 대칭 구성요소를 비-회전 방식으로 취급하는 경우에는, 예를 들어 삼각형 또는 사각형 구성요소가 배치되는 경우, 그리퍼(150)에 의해 집히는 구성요소가 각각의 경우 시계방향 및 반시계방향으로 기판 평면에서 10° 이상, 바람직하게는 22.5°, 더욱 바람직하게는 45°만큼 회전할 수 있도록(회전 동안의 분석도는 0.4° 초과, 바람직하게는 0.2° 초과, 더욱 바람직하게는 0.1° 초과임), 회전 시스템을 통해 흡입 그리퍼를 갠트리 시스템과 연결한다.
바람직한 실시양태에서, 배치 대역은 가이드로서 전지의 구성요소에 대한 트레이를 수용하는 역할을 하는 선형 가이드 시스템을 포함한다. 가이드를 따라, 개별적인 트레이가 고정되고 정밀하게 예정된 위치를 차지하도록 하는 수단이 제공된다. 트레이의 배치는 매우 재현성 있게 진행된다. 트레이의 배치는 또한 그의 탈착가능한 고정을 포함한다.
바람직한 실시양태에서, 하우징, 바람직하게는 글러브박스(8)는 하나 이상의 에어록(23)과 작동가능하게 연결된다. 트레이는 에어록(23)을 통해 하우징의 배치 대역 내로 옮겨지고, 배치 대역에서 지정된 배치 위치에 고정된다. 가이드의 두 말단에 에어록(23, 10)이 위치되는 배열이 더욱 바람직하다.
에어록은 기체 교환 수단을 갖고, 하나 이상의 에어록(23)은 가열 수단을 갖는다. 에어록에서는, 가능한 한 공기 구성요소, 특히 또한 수분을 제거하기 위하여 하우징 내로 도입하기 전에 구성요소를 전처리한다. 이들 수단은 특히 진공을 가하고 불활성 기체를 범람시키기 위한 장치를 포함한다. 에어록(들)에서 획득될 수 있는 감압은 바람직하게는 5mbara 초과, 더욱 바람직하게는 1mbara 초과, 특히 바람직하게는 0.1mbara이며, 가열 동안의 온도는 20 내지 200℃, 바람직하게는 50 내지 180℃, 특히 바람직하게는 80 내지 160℃이다. 압력은 절대바로 언급된다.
트레이의 유도 및 연결
장치가 예컨대 하나 이상의 가이드 레일 및 가이드 요소를 포함하는, 트레이를 안내하기 위한 소자를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 가이드 요소는 트레이 상에 장착된다. 사용될 수 있는 가이드 요소는 특히 슬라이딩 가이드 요소, 롤러, 볼 베어링이다. 가이드는 바람직하게는 선형 가이드를 포함한다. 가이드 요소가 제공된 트레이는 가이드 상에 배치되고, 가이드를 따라 장치 내의 정밀하게 예정된 위치로 이동될 수 있다. 예정된 위치는 배치 위치(13, 15, 17, 19)이다.
바람직한 실시양태에서, 트레이에는 이들을 배치 위치로(13, 15, 17, 19)로 이동시키는 전기 구동장치가 제공될 수 있다.
다른 바람직한 실시양태에서, 또한 장치가 글러브박스에 설치되어 있는 경우, 트레이는 수작업으로 중재함에 의해 가이드 레일을 따라 에어록 내부로부터 개별적인 배치 위치(13, 15, 17, 19)로, 배치 위치중 하나로부터 다음 배치 위치로 또는 배치 위치들로부터 에어록 내로 이동된다. 용어 "배치 위치"는 구체적인 배치 위치(13, 15, 17, 19) 또는 전체 배치 위치들을 가리킬 수 있다. 참조 부호의 사용은 용어를 한정하고자 하지 않는다. 트레이는 또한 적층된 형태로 배치 위치에 존재할 수 있으며, 이는 에어록에서 배치 위치의 사용과 관련하여 특히 바람직하다.
뿐만 아니라, 개별적인 트레이 말단이 연결부를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 연결부를 사용하여, 복수개의 트레이를 함께 연결할 수 있고, 이어 트레이의 직렬 배열을 형성할 수 있다. 함께 연결된 트레이의 직렬 배열은 가이드를 따라 밀릴 수 있고 당겨질 수 있다. 이는 실질적으로 장치 내에서 트레이의 취급을 개선하는데, 글러브박스 내부에서 전체 트레이 군이 단일 구동장치에 의해 또는 한 번의 중재에 의해 동시에 운송되기 때문이다.
연결 요소는 바람직하게는 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 트레이 상에서 측방향으로 위치한다. 연결 요소는 가이드를 따라 트레이가 밀릴 수 있거나 당겨질 수 있게 한다. 트레이를 손으로 잡을 수 있도록 만드는 바람직한 간격이 트레이 사이에 남도록 연결부를 제작한다.
연결부로 연결된 개별적인 트레이 사이의 간격은 바람직하게는 1 내지 4cm이고, 이 간격은 바람직하게는 3cm 미만에 달한다.
마찬가지로 바람직한 다른 실시양태에서, 연결부는 도 5a에 도시된 바와 같이 후크 형상을 갖고, 후크는 도 5b에 도시된 인접한 트레이의 경우 이들이 서로 맞물릴 수 있도록 상보적인 구조를 갖는다.
후크는 바람직하게는 크게 제작되어, 당기는 방향 또는 미는 방향에서 바람직하게는 5mm 미만, 더욱 바람직하게는 4mm 미만, 특히 바람직하게는 3mm 미만의 클리어런스(clearance)가 생기도록 한다. 클리어런스가 존재함으로써, 트레이를 가이드 레일을 따라 배치 및 고정시킬 수 있다. 배치 및 고정 공정은 인덱싱(indexing)으로도 알려져 있다. 예를 들어 트레이의 구멍에 걸리는 공기압 작동 금속 핀을 통해 인덱싱이 수행된다. 인덱싱은 장치의 경제적인 작동에 유리하다.
이들 구멍의 위치가 매우 정밀하게 한정되기 때문에, 트레이가 배치 시스템에 대해 배향된다.
다른 바람직한 실시양태에서, 연결 요소는 영구 자석을 포함한다(도 5c 참조). 영구 자석이 제공된 트레이는 2개의 트레이가 인접할 때 각각의 경우 자석 북극을 갖는 하나의 연결 요소 및 자석 남극을 갖는 하나의 연결 요소가 서로 만나도록 하는 방식으로 서로 연결된다.
연결부에 대해 이동성인 보유 봉에 의해 자석을 제 위치에 유지시킨다. 예를 들어 나선 스프링 같은 탄성 요소가 보유 봉 위에 추가로 위치하며, 이 탄성 요소에 의해, 여기에서도 인덱싱이 가능하도록 트레이를 당겨지는 방향/밀리는 방향에서 5mm, 바람직하게는 4mm, 더욱 바람직하게는 2mm의 공차로 위치시킬 수 있다. 도 6a는 바람직한 실시양태에서의 자기 연결 요소의 개략도이다. 클리어런스는 공간상 한정된 위치에서의 인덱스 가능성, 즉 재배치 가능성, 결과적으로 고정성을 보장한다.
전지의 구성요소, 즉 케이싱 부품(E1, E5), 전극(E2, E4) 및 분리막(E3)을 배치 대역에서 트레이의 오목부 내로 도입한다. 트레이는 바람직하게는 평면상 표면을 갖는 직사각형 판을 포함하며, 이 때 길이×폭은 10×10cm 내지 50×50cm이며, 트레이의 높이 또는 두께는 바람직하게는 5cm 미만, 더욱 바람직하게는 2cm 미만, 특히 바람직하게는 1cm 미만에 달한다. 오목부는 오목부에 저장되는 개별적인 구성요소의 외형을 갖는 홈이다. 오목부는 바람직하게는 매트릭스 배열을 갖는다. 도 3은 예로서 하나의 배열을 도시한다. 트레이는 구성요소가 진공 에어록 내에서 가열될 때 오목부의 내부와 트레이의 외부 사이에서 기체 교환을 가능케 하는 채널 또는 밀링된 부분을 포함한다. 트레이가 서로 적층될 때 각각의 개별적인 오목부의 내부와 트레이의 외부 사이에서 기체 교환이 이루어질 수 있도록 하는 것도 중요하다.
이들의 작은 크기 및 작은 층 두께 때문에, 전지의 몇몇 구성요소는 호일 같은 특성을 갖는다. 이는, 구성요소가 서로 들러붙은 채로 유지되고 개별적인 부품의 목적성 있는 제거가 방해받는 문제를 야기한다. 유리한 실시양태에서는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 구성요소(102)가 서로 들러붙지 않도록 방지하는 분리막 요소(103)를 각각의 경우에 개별적인 구성요소 사이에 삽입한다.
이들 분리막 요소는 예를 들어 플라스틱, 전도성 플라스틱, 전도성 코팅된 플라스틱 또는 얇은 금속 시트로 구성될 수 있다. 2개의 분리막 요소가 서로 위에 놓이는 경우, 이들 사이에서 호일 같은 구성요소(102)를 수용하기 위한 2차원 공간이 수득되도록, 분리막 요소를 가이드 러그(100) 및 중심 지점을 사용한 엠보싱 방법에서 바람직하게 설치한다. 분리막 요소(103)의 엠보싱된 외형은 또한 호일 같은 전극 및 분리막을 테이블 표면에서 5mm, 바람직하게는 2mm, 바람직하게는 1mm의 공차로 배치하는 과제를 갖는다. 분리막 요소에는 또한 한쪽 면이 코팅된 호일이 말리지 않도록 방지하는 억제 부재(hold-down member)로서의 역할을 하는 가요성 텅(tongue)이 제공될 수 있다.
바람직한 실시양태에서는, 구성요소가 제공된 트레이를 먼저 에어록(23)에서 적층하고, 컨디셔닝 프로그램을 가한다. 컨디셔닝 후, 트레이를 배치 대역 내로 도입하고, 여기에서 이들을 배치 및 고정시킨다. 배치 위치(13, 15, 17, 19)에 트레이를 위치시키기 위한 수단이 존재한다. 그러나, 작업자가 하우징에 개입할 수 있도록 하는 글러브(14, 16, 18, 20)를 갖는 취급구가 하우징, 바람직하게는 글러브박스(8)에 장착되는 경우, 이 단계는 예컨대 수작업으로 수행될 수도 있다.
바람직한 실시양태에서는, 액체 구성요소를 전지의 전극 상으로 또는 분리막 상으로 가할 수 있는 자동화된 피펫팅 장치(5)가 기판 위에 위치한다. 자동화된 피펫팅 장치는 저장 대역으로부터 분배되어야 하는 전해질 L1을 흡입하여, 조립되어야 하는 전지 내로 소정량으로 분배한다. 분배 정확도는 분배 지점 1개당 10μL의 분배량에서 +/-0.1μL에 달한다. 여기에서, 분배 장치는 배치를 위한 그 자체의 수단을 갖거나, 또는 예컨대 갠트리 시스템에 연결되고 적어도 하나의 축에서 갠트리 시스템에 의해 배치된다.
다른 바람직한 실시양태에서, 장치는 전해질 L1 내지 LN(여기에서, N은 2보다 큼)을 갖는 복수개의 용기를 포함함을 그 특징으로 한다. 전해질 용기의 수 N은 바람직하게는 10 초과(L1 내지 L10)이고, 더욱 바람직하게는 전해질 용기의 수 N은 20 초과이다. 100 초과의 전해질 용기의 수 N도 고려될 수 있고 가능하다.
전해질 저장 대역은 자동화된 피펫팅 장치의 바늘이 침투할 수 있는 뚫릴 수 있는 막 폐쇄부를 갖는 용기를 포함한다. 사용될 수 있는 용기의 크기는 변화될 수 있고, 특정 작업 프로그램에 기초하여 결정된다. 전기화학 전지의 성능 특징에 대한 전해질의 조성의 영향이 연구되어야 하는 경우에는, 작은 저장 용량을 갖는 비교적 다수개의 전해질 용기를 예를 들어 10×10 용기(각각의 저장 용량은 전해질 용액 2 내지 5ml임)의 매트릭스 배열 형태로 사용하는 것이 편리하다. 반면, 전기화학 전지의 성능 특징에 대한 전극의 영향이 연구되어야 하는 경우에는, 소수개의 전극 또는 단지 하나의 전극만 사용하는 것이 편리하다. 이 경우에는, 더 큰 저장 용량을 갖는 전해질 용기를 사용한다. 예를 들어, 각각 20 내지 50ml의 저장 용량을 갖는 3×3 용기의 배열이 적합하다.
본 발명에 따른 장치는 연구 목적을 위해 실험실에서 매우 융통성있게 사용될 수 있음을 그 특징으로 한다. 그러므로, 크기 결정 및 용량과 관련하여, 본 발명에 따른 장치는 처리량 및 디자인과 관련된 특정 한계에 봉착한다. 높아진 융통성은 또한 장치의 모듈 구성의 결과이기도 하다. 장치를 또한 장기 작동에도 이용할 수 있으며, 이에 의해 장치의 사용 효율을 증가시킬 수 있다.
장치의 장기 작동
다른 목적은 적은 지출로 장기간에 걸쳐 작동되는 전기화학 전기를 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 장치의 한 가지 본질적인 양태는 특정량의 전지가 제조되는 동시에 개별적인 전지의 매개변수가 한정된 방식으로 변화된다는 것이다. 트레이를 사용함으로 인해, 제조가 다수개의 동일한 전지의 연속적인 제조 공정에 관련되지 않고, 대신 복수개의 상이한 전지의 제조에 관련된다. 제조는 단위장치의 수 면에서의 상한과 관련하여 한계를 갖는다.
바람직한 실시양태에서는 오염되는 것을 방지하고 작동시키기 위하여 한 가지 액체를 사용하는 자동화된 피펫팅 장치를 사용한다. 이 액체는 이후 "시스템 액체"로 일컬어진다. 시스템 액체는 바람직하게는 전해질의 구성요소중 하나, 더욱 바람직하게는 액체이고 표준 온도 및 압력 하에서 완전히 휘발성인 구성요소로 이루어진다. 시스템 액체는 분배되는 양에 대해 10배 이상의 과량으로 요구되며, 사용된 후에는 액체를 글러브박스로부터 폐기해야 한다. 시스템 액체의 전형적인 양은 1일당 1 내지 5리터 수준이다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 하나 이상의 시스템 액체용 용기 및 하나 이상의 액체 폐기물용 용기를 포함한다. 시스템 액체용 액체 용기의 용량은 바람직하게는 2 내지 20리터, 더욱 바람직하게는 5 내지 15리터이다. 액체 폐기물용 용기의 용량은 1리터 이상, 바람직하게는 2리터 이상만큼 시스템 액체용 용기의 용량보다 더 크다. 하우징, 바람직하게는 글러브박스의 내부에서 대기 오염에 대해 보호하기 위하여 불활성 기체를 용기에 범람시킬 수 있도록 용기를 바람직하게 디자인한다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 장치는 자동화된 피펫팅 장치의 작동을 위한 시스템 액체용 용기 하나 이상 및 액체 폐기물용 용기 하나 이상을 포함한다. 세정 액체용 액체 용기의 용량은 바람직하게는 2 내지 20리터, 더욱 바람직하게는 5 내지 15리터에 달한다. 액체 폐기물용 용기의 용량은 세정 액체용 용기의 용량보다 1리터 이상, 바람직하게는 2리터 이상만큼 더 크다.
용기는 또한 하우징, 바람직하게는 글러브박스의 내부에서 대기 오염에 대해 보호하기 위하여 불활성 기체를 용기에 범람시킬 수 있도록 바람직하게 디자인된다.
본 발명에 따른 장치에 시스템 액체용 용기 및 액체 폐기물용 용기가 설치되는 방식은, 적은 유지 노력으로 또한 작동시 장시간의 작업 중지 없이 장치가 작동될 수 있도록 선택된다. 예를 들어 전해질 유체용 저장 용기가 교체될 때 작업이 중지된다. 장치의 작동은 또한 때때로 트레이를 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 옮기는 동안 중지된다.
액체 취급 시스템에 의해, 바람직하게는 자동화된 피펫팅 장치에 의해 전해질을 분배한다. 자동화된 피펫팅 장치는 세정 및 작동용 시스템 액체를 필요로 한다. 시스템 액체중 다량은 유리하게는 전해질 액체의 주성분으로 이루어진다. 세정하기 위해서는, 시스템 액체를 자동화된 피펫팅 장치의 라인을 통해 통과시켜, 자동화된 피펫팅 장치의 라인에 침착된 임의의 가능한 첨가제를 용해시키고 세정시켜내도록 한다.
또한, 장치의 하우징 내부에서 또는 글러브박스 내에서는 불활성 기체의 초과압력이 광범위하게 확립됨으로써, 물론 산소, 질소 및 수분을 함유하는 공기가 장치의 외부로부터 침투하지 못하게 매우 효과적으로 보호함을 명심해야 한다.
시스템 액체용 용기 및 액체 폐기물용 용기가 설치된 장치는 바람직하게는 또한 각각의 경우에 시스템 액체용 용기 또는 액체 폐기물용 용기와 글러브박스 사이에서 압력 평형이 확실히 이루어지게 하는 수단을 포함한다.
2개의 용기, 즉 시스템 액체용 용기 및 액체 폐기물용 용기가 설치된 장치의 바람직한 실시양태가 도 6b에 개략적으로 도시된다. 이 실시양태에서는, 기체 공급원(250)이 라인(251), 셧오프(shut-off) 부재(252) 및 라인(253)을 통해 용기(254)의 헤드스페이스와 작동가능하게 연결된다. 라인(256)은 용기 내에서 끝나는데, 라인의 말단은 용기의 바닥으로부터 약 0.5 내지 5cm 높은 거리에서 끝난다. 라인의 액체 중에 침지되는 이 실시양태에서, 라인은 침지관이다. 세정 액체는 용기에 잠긴 라인에 의해 용기로부터 흡입된다.
라인(257)은 셧오프 부재(260, 259)와 작동가능하게 연결된다. 셧오프 부재(260)의 다른 말단은 글러브박스의 내부와 작동가능하게 연결된다. 말단에 셧오프 부재(259)가 위치하는 라인은 불활성 기체를 방출하는 역할을 한다.
또한, 각각의 경우 용기 공급 및 방출 라인에 연결부(257)가 위치하는데, 이연결부에 의해 용기가 글러브박스로부터 분리될 수 있고, 이 연결부는 또한 글러브박스가 이러한 분리에도 불구하고 밀봉된 채로 유지되도록 한다.
액체 폐기물용 용기는 바람직하게는 세정 액체용 용기와 유사한 방식으로 연결된다. 그러나, 액체 폐기물용 용기에서는, 침지관이 유입관으로 대체된다. 침지관과는 대조적으로, 유입관은 용기의 상부 내로 1 내지 5cm만 연장된다.
글러브박스에 초과압력이 광범위하게 확립되는 경우에는, 품목(250, 251, 259)이 없어도 된다. 유출 라인(258)이 용기의 헤드스페이스를 통해 셧오프 부재(252)와 직접 작동가능하게 연결된다.
다른 유리한 개발에 따르면, 셧오프 부재(260, 261)의 기능을 각각의 연결부(257)로 유리하게 통합할 수 있다. 자가-폐쇄 신속 연결부를 사용함으로써 이를 달성한다.
도 6b에 도시된 장치의 바람직한 실시양태의 작동 모드. 기본 상태에서, 용기는 연결되지 않고, 셧오프 밸브(260)는 폐쇄되어 있다.
용기는 연결부(257)를 통해 글러브박스에 연결된다. 폐기물 기체 셧다운 부재(259) 및 기체 공급 셧다운 부재(252)가 개방된 후, 기체 스트림이 기체 공급원으로부터 용기의 헤드스페이스를 통해 배출 공기로 이동한다. 용기의 헤드스페이스의 부피는 5회 이상, 더욱 바람직하게는 10회 이상, 더더욱 바람직하게는 20회 이상 교환되어야 한다. 이어, 셧오프 부재(252, 259)를 폐쇄한다. 용기 내에서의 임의의 압력 축적을 피하기 위하여, 셧오프 부재(252)를 먼저 폐쇄한 후 약간의 시간을 지체한 다음 셧오프 부재(259)를 폐쇄한다. 지체하는 시간은 10초 이상에 달한다. 이어, 셧오프 부재(260)를 개방한다. 자가-폐쇄 신속 연결부를 사용하는 간단화된 형태에서는, 개방된 셧오프 부재를 갖는 라인(253)을 먼저 연결한다. 글러브박스 내부의 초과압력 때문에, 불활성 기체가 즉시 용기를 통해 유동하기 시작한다. 용기의 헤드스페이스 부피가 불활성 기체에 의해 바람직하게는 5회 이상, 더욱 바람직하게는 10회 이상, 특히 바람직하게는 20회 이상 교환되면, 대기중 오염물질이 충분히 제거된다.
예를 들어, 용기가 3리터의 빈 헤드스페이스 부피를 갖는 경우, 이 용기로 향하는 라인은 4mm의 내경 및 1m의 길이를 갖고, 공기는 라인을 통해 100노말리터/시간으로 유동하며, 기체를 10회 교환하는 데에는 약 2분이 걸린다.
글러브박스에서 초과압력이 광범위하게 확립되는 경우, 용기를 불활성화시키기 위한 불활성 기체는 외부 용기로부터가 아니라 글러브박스로부터 직접 흡입될 수 있다. 이를 위하여, 라인(251)을 글러브박스에 바로 연결한다. 그러면, 용기로부터의 유출은 라인(258)을 통해 진행된다. 밸브(260) 및 그에 관련된 라인의 길이는 없앨 수 있다. 이 경우, 글러브박스에서 작용하는 초과압력이 유지될 수 있도록 라인(258)에서의 조정가능한 스로틀(throttle) 장치가 중요하다.
전기화학 전지의 제조
본 발명은 또한 본 발명에 따른 장치를 사용하여 전기화학 전지를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 구성요소를 조립하고, 전해질을 도입하며, 전지를 밀봉함을 포함한다. 그리퍼에 의해 하나 이상의 트레이의 오목부로부터 구성요소(E1 내지 E5)를 집어올리고 조립 챔버에서 조립한다. 이 방법은 아래에 언급되는 단계들을 특징으로 하며, 개별적인 단계들은 별도로 수행되거나 서로 조합되어 수행된다:
(i) 조립 위치상의 마운트에 위치하는 조립 챔버(4)의 홈에 하부 케이싱 요소(E1)를 배치하는 단계;
(ii) 조립 챔버 홈의 케이싱 요소 위에 전극(E2)을 배치 및 정렬하는 단계;
(iii) 홈에 위치하는 전극의 표면 상으로 선택된 전해질의 제 1 부분을 분배하는 단계;
(iv) 전해질로 습윤된 표면 상에 분리막(E3)을 배치 및 정렬하는 단계;
(v) 홈에 위치하는 분리막의 표면 상으로 선택된 전해질의 제 2 부분을 분배하는 단계;
(vi) 전해질로 습윤된 분리막 상에 단계 (ii)에서 정렬된 전극에 대한 대전극(E4)을 배치하는 단계;
(vii) 조립 챔버 홈에 상부 케이싱 요소(E5)를 배치하는 단계;
(viii) 전지 구성요소의 적층체를 도구로 밀봉하는 단계.
이 방법을 수행하기 전에 개별적인 구성요소가 이미 다른 구성요소에 단단히 연결될 수 있기 때문에 개별적인 단계가 합쳐질 수 있다. 예를 들어, 미리 제조된 케이싱의 각 부품에 개별적인 전극이 단단히 연결될 수 있다.
방법의 바람직한 실시양태에서는, 개별적인 구성요소를 어셈블리 챔버 홈에 배치하기 전에 천칭으로 칭량한다. 이러한 방식으로, 전극을 흡착능과 관련하여 매치시킨다.
칭량된 구성요소는 바람직하게는 적어도 구성요소(E2, E4)(즉, 전극)를 포함하는데, 이들은 별도로 칭량된다. 컨디셔닝 후 전극을 칭량하면, 제조되는 전지의 품질을 상당히 개선시킬 수 있다. 칭량 데이터에 기초하여, 하나의 전지에서 본질적으로 상응하는 이온 흡착능을 갖는 대전극을 합침을 포함하는 매칭 절차를 수행한다. 이온 흡착능과 관련하여 전극을 매칭시키는 방법 단계는 특히 높은 정밀도를 갖는 전지를 제조하는데 상당히 기여하며, 따라서 구조적 특징과 성능 특징을 상관시킬 수 있는데, 이들 특징중 일부는 연구 용도를 위해 본 발명에 따른 장치 및 방법을 이용하는 경우 매우 중요하다.
전극을 매칭시킬 때, 애노드의 이온 흡착능이 캐쏘드의 이온 방출능 값보다 30%까지 더 높아야 하는 것이 중요하며, 바람직하게는 애노드의 이온 흡착능은 캐쏘드의 이온 방출능보다 20%까지 더 높으며, 특히 바람직하게는 애노드의 이온 흡착능은 캐쏘드의 이온 방출능보다 10%까지 더 높다. 그러나, 애노드의 이온 흡착능은 캐쏘드의 이온 방출능보다 절대로 더 작아서는 안된다. 이온 흡착능은 추가적인 제한을 산정하여 전극의 중량으로부터 제어 시스템에 의해 바람직하게 계산된다.
전극의 매칭 결과, 바람직한 범위에 속하지 않는 계산된 정전용량을 갖는 전극은 거부된다. 이와 관련하여, 좁은 공차 범위 외에 속하는 전극(또는 다른 구성요소)을 수용하는 역할을 하는 빈 오목부(또는 배치 오목부)가 배치 대역에(바람직하게는 트레이 상에) 존재한다.
배치 오목부는 특정 오목부에 연결되지 않는다. 복수개의 오목부가 있는 트레이가 존재하는 경우, 배치 오목부의 위치가 변할 수 있다. 그리퍼는 배치된 구성요소를 재분류할 수 있다. 구성요소 사이에 위치하는 분리막 요소도 배치 오목부에 배치될 수 있다.
상기 언급된 방법 단계 (i) 내지 (viii) 전에 하기 단계를 먼저 수행하는 바람직한 방식으로 이 방법을 추가로 수행할 수 있다:
(x.1) 구성요소가 위치하는 하나 이상의 트레이, 바람직하게는 구성요소가 위치하는 복수개의 트레이를, 에어록(23) 내부에 배치하는 단계;
(x.2) 트레이 상에 배치된 구성요소를, 20 내지 200℃, 바람직하게는 100 내지 180℃, 더욱 바람직하게는 140 내지 160℃에서, 0.5 내지 48시간, 바람직하게는 2 내지 36시간, 더욱 바람직하게는 4 내지 18시간동안 가열함으로써 컨디셔닝시키는 단계;
(x.3) 보호 기체가 채워진 하우징, 바람직하게는 글러브박스(8)의 배치 위치 또는 배치 위치들에, 활성화된 구성요소를 갖는 하나 이상의 트레이를 도입하는 단계.
단계 (x.2)에 따른 컨디셔닝을 수행할 때, 구성요소를 5mbara 미만, 바람직하게는 1mbara 미만, 더욱 바람직하게는 0.1mbara 미만의 감압에 노출시키는 것이 바람직하다.
안쪽으로 옮기는 공정 동안 개별적인 구성요소, 특히 전극 및 분리막을 컨디셔닝시키는 것은 많은 유형의 전기화학 전지에서 가장 중요하다. 그러나, 분리막이 전극 물질보다 더 낮은 열 안정성을 가짐을 또한 명심해야 한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시양태에서는, 실온 내지 70℃, 바람직하게는 30 내지 60℃에서 분리막을 컨디셔닝시키고, 실온 내지 150℃, 바람직하게는 40 내지 120℃에서 전극을 컨디셔닝시킨다. 예를 들어, 분리막을 갖는 트레이 및 전극을 갖는 트레이가 에어록의 상이한 온도 대역에서 동시에 컨디셔닝되도록, 안쪽으로 옮기기 위한 에어록이 2개의 상이한 온도 대역을 갖는다. 다른 실시양태에서는, 분리막과 전극을 연속적으로 컨디셔닝시킨다.
글러브박스(8)의 구체적인 보호 기체 대기는 글러브박스(8)에서 제조되는 전기화학 전지의 개별적인 유형에 기초하여 선택된다.
본 발명에 따른 방법을 수행할 때 하우징 내부의 대기를 바람직하게 모니터링 및 제어한다. 이 방법이 Li-이온 전지의 제조에 관련되는 경우에는, 아르곤이 보호 기체로서 바람직하게 사용되는데, 보호 기체, 바람직하게는 아르곤은 그 값이 대기압보다 0.1 내지 100밀리바, 더욱 바람직하게는 1 내지 50밀리바 더 높은 초과압력을 나타낸다.
Li-이온 전지를 제조하는 방법에서는 글러브박스(8)의 수증기 함량이 100ppm 미만, 더욱 바람직하게는 10ppm 미만, 특히 바람직하게는 1ppm 미만이고/이거나 산소 함량이 바람직하게는 1000ppm 미만, 더욱 바람직하게는 100ppm 미만, 더더욱 바람직하게는 10ppm 미만인 것이 또한 바람직하다.
방법 단계 후에 하기 단계를 수행하는, 특허청구범위 제 8 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 따른 이온 전지 제조 방법:
(y.1) 제조된 전지가 위치하는 트레이를, 제 2 에어록(10)을 통해 하우징으로부터 바깥쪽으로 옮기는 단계.
제 1 에어록(23)에 의해 구성요소를 갖는 트레이를 안쪽으로 옮기는 공정과 제 2 에어록에 의해 최종 마무리된 전지를 바깥쪽으로 옮기는 공정을 공간상 분리함으로써 장치의 융통성을 증가시킨다. 이와 관련하여, 구성요소, 특히 전극을 컨디셔닝시키는 것은 전체 제조 공정의 기간에 영향을 끼치는 시간이 많이 소비되는 방법 단계중 하나임을 또한 언급해야 한다. 따라서, 하나 이상의 다른 이용가능한 에어록을 갖는 것이 유리하다. 그러나, 제 2 에어록(10)은 제 1 에어록(23)보다 예를 들어 가열 수단을 갖지 않는 더 간단한 디자인일 수 있다. 그러므로, 열처리되지 않는 구성요소를 도입하는데, 또는 최종 마무리된 전지 또는 빈 용기를 바깥쪽으로 옮기는데 제 2 에어록을 바람직하게 사용한다.
코인 전지[권축(crimped) 전지]의 제조
상이하게 개발되는 방법 및 장치의 작동 모드가 아래에 더욱 상세하게 기재되지만, 이러한 기재내용은 본 발명을 한정하고자 하지 않는다.
코인 전지를 조립하는 경우에는, 프레스가 조립 대역에 배치된다. 프레스에는 이동성 다이가 설치되어 있다. 다이에는 오목부가 있다. 당 업자에게 공지되어 있는 임의의 구동 수단을 이용하여 다이를 구동시킬 수 있는데, 전기 선형 스핀들, 선형 모터 또는 공기압 피스톤이 바람직하다. 접근성을 단순화시키기 위하여, 다이를 펀치 아래에서 밀어내고, 서랍 같이 그리퍼 시스템의 그리핑 대역 내로 이동시킨다. 이 밀어낸 위치에서, 전지 구성요소를 연속적으로 위치시킨다. 전지를 밀봉시키기 위하여, 전지를 함유하는 이동성 다이를 펀치 아래로 이동시킨 다음, 펀치를 사용하여 전지를 함께 가압한다.
파우치 전지의 제조
파우치 전지를 제조하기 위한 스테이션은 하부 본체를 포함하며, 이 하부 본체에는 전지의 호일 같은 구성요소를 수용하기 위한 홈이 위치하고 있다. 측부에는 바람직하게는 후크 같은 구조물(미세한 톱날 같은) 또는 가요성 스트립이 위치하는데, 이는 용이하게 구부러지는 호일의 경우 호일이 말리지 않도록 방지한다. 홈 위에는 세 개의 측부에서 호일 케이싱의 측방향으로 돌출된 스트립을 가열-밀봉하기 위한 기부 부재 상으로 내려질 수 있는 측방향으로 이동가능한 가열된 수단이 위치한다. 마찬가지로 이동할 수 있는 가열-밀봉 장치가 네 번째 측부의 가열-밀봉을 위한 가열-밀봉 스테이션에 위치한다. 가열-밀봉 수단은 진공 벨 아래에 위치된다. 1면 밀봉 바가 위치하는 측부에는, 이동가능한 텅이 있다. 하부 케이싱 호일을 놓은 후, 이 텅을 하부 케이싱 호일 위로 수밀리미터 밀어서, 하부 케이싱 호일과 상부 케이싱 호일 사이에 간격이 유지되도록 한다(덮인 책의 페이지 사이에 위치하는 책갈피와 유사한 방식으로).
텅이 위치하는 측부가 위로 향하도록, 조인트를 통해 전체 스테이션을 몇도 기울일 수 있다. 텅 상부에 채널이 바람직하게 혼입될 수 있는데, 이를 통해 액체가 호일 파우치 내부로 도입될 수 있다. 둘 이상의 이격 텅이 더욱 바람직하다.
바람직한 실시양태에서는, 배치 시스템(3)의 그리핑 대역에 위치한 스캐너, 바람직하게는 바코드 스캐너, 더욱 바람직하게는 1차원 또는 2차원 스캐너가 존재한다. 개별적인 부품 또는 적어도 최종 마무리된 전지가 바코드를 받아들여, 제조된 전지의 더욱 우수한 추적 가능성을 보장한다. 높은 처리량의 연구 분야에서 장치의 사용 분야에 대한 라벨링 및 기록은 매우 중요한데, 다수개의 상이한 전지를 제조할 수 있기 때문이다. 순서 제어 시스템에 의해 개별적인 전지의 제조 매개변수가 획득된다. 전지의 후속 추적 가능성 및 확인이 본 발명에 따른 장치와 관련하여 크게 중요하다.
배치 시스템(3)의 그리핑 대역의 다른 위치에는, 이미지 평가 소프트웨어를 갖는 하향 배향된 카메라(25)가 존재한다. 광학적으로 인지가능한 결함과 관련하여 지지 호일 아래로 향하는 전극의 표면을 조사하고 전극을 평가하기 위하여 이 카메라를 사용한다. 전극의 육안 검사도 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법을 개선하는데 기여한다. 전극의 표면 구조의 영향도 목적성 있게 연구될 수 있다.
본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법을 이용하여, 하루에 50개보다 많은 전지, 바람직하게는 하루에 100개보다 많은 전지, 더욱 바람직하게는 하루에 200개보다 많은 전지를 제조할 수 있다. 1% 미만, 바람직하게는 0.5% 미만, 더욱더 바람직하게는 0.1% 미만에 달하는 매우 낮은 제조 거부율이 동시에 얻어질 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 특정 특징이, 많은 관점에서 전지의 제조 매개변수가 변할 수 있다는 것이기 때문에, 장치의 산출량이 상한을 갖는다. 이는 장치가 동일한 구조의 전지를 제조하기 위한 생산 라인용 장치가 아니기 때문이다. 제조 용량의 상한은 1일당 200 내지 800개의 전지, 바람직하게는 1일당 200 내지 400개의 전지이다. 특히 특징적인 특징은 제조된 전지의 낮은 거부율 및 높은 품질이다. 제조된 전지의 높은 품질은 전극의 배치의 정밀도 및 전극의 이온 흡착능의 매칭에 관련된다.
그러나, 개별적인 요소를 병렬로 배열함으로써, 또는 본 발명에 따른 장치 복수개를 동시에 작동시킴으로써, 본 발명에 따른 장치의 산출량을 더 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 산출량과 관련하여 상한이 이렇게 언급되었으나, 변형에 의한 산출량 증가를 완전히 알 수 없는 것은 아니다.
방법
방법의 바람직한 실시양태에서는, 개별적인 제조 단계를 고정적으로 미리 결정된 순서대로 수행한다.
이 실시양태에서 하기 단계를 포함하는, 파우치 전지를 제조하기 위한 실시양태에서 본 방법이 아래에 기술된다:
a.1) 조립 위치(2)에 하부 케이싱 호일을 놓는 단계;
a.2) 전극(캐쏘드 또는 애노드)을 놓고 정렬시키는 단계;
a.3) 전극 표면 상에 소정량의 전해질을 몇 방울의 형태로 분배하는 단계;
a.4) 분리막을 놓고 정렬시키는 단계;
a.5) 전해질 제 2 소정량을 몇 방울의 형태로 추가로 흩뿌리는 단계;
a.6) 전해질로 후속 충전시키기 위하여 하나 이상의 스페이서(텅)를 삽입하는 단계;
a.7) 제 1 전극에 대해 반대 극성을 갖는 전극(애노드 또는 캐쏘드)을 놓는 단계;
a.8) 3개의 측부에서 케이싱 호일을 밀봉하는 단계;
a.9) 스페이서가 위를 향하도록, 3개의 측부에서 밀봉된 호일 적층체를 기울이는 단계;
a.10) 최종 소정량의 전해질로 충전시키는 단계;
a.11) 다르게는 진공을 가하고 불활성 기체를 들여보내는 단계;
a.12) 스페이서를 제거하는 단계;
a.13) 여전히 벌어진 측부를 가열-밀봉하는 단계;
a.14) 추후 사용을 위해, 완전히 결합된 호일 적층체를 제거하는 단계.
다른 바람직한 실시양태에서는, 코인 전지를 제조하기 위한 장치 및 방법을 이용한다.
B. 코인 전지의 제조는 하기 단계를 포함한다:
b.1) 전극을 가압하기 위한 스프링 및 가압판이 케이싱 부분에 이미 삽입된 조립 위치(4)에 케이싱의 하부 부품을 놓는 단계;
b.2) 전극(캐쏘드 또는 애노드)을 놓는 단계;
b.3) 전극을 소정량의 전해질로 습윤시키는 단계;
b.4) 분리막을 놓는 단계;
b.5) 분리막을 제 2 소정량의 전해질로 습윤시키는 단계;
b.6) 제 1 전극에 대해 반대 극성을 갖는 전극(애노드 또는 캐쏘드)을 놓는 단계;
b.7) 케이싱의 상부 부품을 놓고 온화하게 가압하는 단계;
b.8) 수압 프레스에서 케이싱을 가압하는 단계;
b.9) 추가적인 가공을 위해 전지를 제거하는 단계.
온도-제어가능한 에어록(23)은 부품(구성요소) 및 홀더를 하우징(8) 내로 옮기는 역할을 하는데, 하우징 내에서는 함께 작동하는 개별적인 제조 단위장치에 의해 이온 전지가 조립된다. 바람직한 실시양태에서는, 압력을 100mbara 미만, 바람직하게는 10mbara 미만, 더욱 바람직하게는 1mbara 미만, 특히 바람직하게는 0.1mbara 미만의 값까지 감소시킬 수 있는 진공 펌프를 공기-제어가능한 에어록(23)에 설치한다. 다른 바람직한 실시양태에서는, 온도-제어가능한 에어록의 내부를 가열 또는 냉각하는데, 10 내지 150℃, 바람직하게는 20 내지 120℃의 값이 선택된다.
샘플을 취하면, 전극의 표면을 검사하기 위하여 카메라(25)를 또한 사용할 수 있다. 이미지 인지에는 공간상 위치를 보정하기 위해 사용되는 것과는 상이한 알고리즘이 자연히 요구된다.
하우징(8) 및 또한 에어록(23)에 불활성 기체를 범람시키거나 또는 이들을 불활성 기체로 플러시시킬 수 있다. 불활성 기체로서 아르곤이 바람직하게 사용된다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시양태에서는, 하우징의 내부를 초과압력 하에 두는데, 압력 값은 대기압보다 0.1 내지 100밀리바, 바람직하게는 1 내지 50밀리바 더 높다.
하우징 내의 기체 대기를 정밀하게 미리 결정하고 모니터링할 수 있다. 수증기 함량은 바람직하게는 100ppm 미만, 더욱 바람직하게는 10ppm 미만, 특히 바람직하게는 1ppm 미만이다. 하우징 내부의 산소 함량은 바람직하게는 1000ppm 미만, 더욱 바람직하게는 100ppm 미만, 더더욱 바람직하게는 10ppm 미만이다.
전기화학 전지의 개발
본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 전지를 이들의 성능 특징과 관련하여 시험하고, 시험 데이터를 데이터베이스에 저장한다. 개발 사이클이 종료되면, 개별적인 제조 매개변수에 비추어 성능 특징을 평가 및 분석한다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법은 하기 단계를 포함하는 전기화학 전지 개발을 위한 개발 사이클의 일부이다:
I. 전지마다 제조 매개변수를 변화시키면서 전기화학 전지, 특히 복수개의 전지의 제조를 계획하기 위한 소프트웨어;
II. (자동화되거나 반자동화된) 제조를 위해 설치를 제어하는 (제조 매개변수의 변화) 단계;
III. 센서로 상이한 전기화학 전지를 바람직하게는 동시에 시험하는 단계;
IV. 구조화된 결과를 획득하기 위한 데이터베이스;
V. 사이클을 최적화하기 위한 알고리즘.
제 1 개발 사이클이 종료된 후, 전지의 특징 결정으로부터의 분석 결과를 이용하여 제 2 개발 사이클을 위한 제조 계획을 고안해낼 수 있다. 특히 전해질 특징 및 캐쏘드 특징을 변화시키면서, 공정 매개변수를 사용하여 전체 개발 사이클을 반복할 수 있다.

Claims (14)

  1. 하나 이상의 배치 위치(13, 15, 17, 19), 조립 위치(2, 4), 그리퍼(gripper)(150)를 갖는 배치 시스템(3), 세정 스테이션을 갖는 자동화된 피펫팅(pipetting) 장치(5), 적층(stacking)에 의해 조립된 전지를 밀봉하기 위한 도구, 및 구성요소를 수용하기 위한 오목부(depression)를 갖는 하나 이상의 트레이를 포함하되, 상기 오목부의 수가 총 2개 이상, 바람직하게는 4개 이상, 특히 바람직하게는 6개 이상인, 전기화학 전지를 제조하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 천칭(1) 및/또는 하나 이상의 카메라(25)를 포함하고, 상기 카메라(25)가 장치의 기판(base plate) 영역에 배열되는, 전기화학 전지를 제조하기 위한 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 장치가 하나 이상의 배치 위치(13, 15, 17, 19)로 트레이를 이동시키거나 배치 위치들로 트레이들을 이동시키기 위한 수단을 포함하는, 전기화학 전지를 제조하기 위한 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지가 Li-이온 전지이고, 상기 장치의 모듈이 하우징(8), 바람직하게는 글러브박스(glovebox)에 의해 에워싸이고, 상기 하우징이 하나 이상의 에어록(23), 바람직하게는 2개의 에어록(23, 10)과 작동가능하게 연결되며, 상기 글러브박스(8)가 정상 대기의 원치 않는 구성요소를 들이지 않는 수단을 함유하는, 전기화학 전지를 제조하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배치 위치가 트레이의 위치를 인지하기 위한 수단을 포함하는, Li-이온 전지를 제조하기 위한 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배치 위치(13, 15, 17, 19), 조립 대역(2, 4) 및/또는 에어록 대역(23, 10)중 하나 이상에 가이드가 제공되는, 전기화학 전지를 제조하기 위한 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 트레이의 오목부 6개중 5개 이상에 전지 구성요소가 위치하고, 상기 5개 오목부중 각각의 개별적인 하나에 구성요소의 하나의 특정 유형만이 위치하며, 상기 구성요소가 적층체(stack) 형상의 배열을 갖고, 각각의 경우 분리막 요소(103)가, 적층된 구성요소 사이에 배열되는, Li-이온 전지를 제조하기 위한 장치.
  8. 그리퍼에 의해 하나 이상의 트레이의 오목부로부터 구성요소(E1 내지 E5)를 집어올려 조립 챔버에서 조립하는, 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 산화환원 전지(redox cll)를 제조하는 방법으로서, 하기 단계들을 특징으로 하며, 하기의 개별적 단계들은 별도로 또는 서로 조합되어 수행되는, 방법:
    (i) 조립 위치상의 마운트에 위치하는 조립 챔버(4)의 홈(recess)에 하부 케이싱 요소(E1)를 배치하는 단계;
    (ii) 조립 챔버 홈의 케이싱 요소 위에 전극(E2)을 배치 및 정렬하는 단계;
    (iii) 홈에 위치하는 전극의 표면 상으로 선택된 전해질의 제 1 부분을 분배하는 단계;
    (iv) 전해질로 습윤된 표면 상에 분리막(E3)을 배치 및 정렬하는 단계;
    (v) 홈에 위치하는 분리막의 표면 상으로 선택된 전해질의 제 2 부분을 분배하는 단계;
    (vi) 전해질로 습윤된 분리막 상에 단계 (ii)에서 정렬된 전극에 대한 대전극(counter-electrode)(E4)을 배치하는 단계;
    (vii) 조립 챔버 홈에 상부 케이싱 요소(E5)를 배치하는 단계;
    (viii) 전지 구성요소의 적층체를 도구로 밀봉하는 단계.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 조립 챔버 홈에 배치하기 전에, 상기 구성요소를 천칭으로 칭량하고, 칭량된 구성요소가 적어도 구성요소 E2 및 E4(즉, 전극들)를 포함하는, 전기화학 전지를 제조하는 방법.
  10. 제 8 항에 언급된 방법 단계 전에 하기 단계를 수행하는, 제 3 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하여 Li-이온 전지를 제조하는 방법:
    (x.1) 구성요소가 위치하는 하나 이상의 트레이, 바람직하게는 구성요소가 위치하는 복수개의 트레이를, 에어록(23) 내부에 배치하는 단계;
    (x.2) 트레이 상에 배치된 구성요소를, 20 내지 200℃, 바람직하게는 100 내지 180℃, 더욱 바람직하게는 140 내지 160℃에서, 0.5 내지 48시간, 바람직하게는 2 내지 36시간, 더욱 바람직하게는 4 내지 18시간동안 가열함으로써 컨디셔닝시키는 단계;
    (x.3) 보호 기체가 채워진(flooded) 하우징, 바람직하게는 글러브박스(8)의 배치 위치 또는 배치 위치들에, 활성화된 구성요소를 갖는 하나 이상의 트레이를 도입하는 단계.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 단계 (x.2)의 컨디셔닝을 수행할 때, 구성요소를 5mbara(절대밀리바) 미만, 바람직하게는 1mbara 미만, 더욱 바람직하게는 0.1mbara 미만의 감압에 노출시키는, Li-이온 전지를 제조하는 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 전지의 제조 동안, 하우징(8)을 보호 기체 대기, 바람직하게는 보호 기체로서의 아르곤 하에 위치시키고, 이때 압력이 바람직하게는 대기압보다 0.1 내지 100밀리바, 더욱 바람직하게는 1 내지 50밀리바 더 높은 값을 나타내는, Li-이온 전지를 제조하는 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법이 수행되는 동안 하우징(1) 내의 수증기 함량이 100ppm 미만, 더욱 바람직하게는 10ppm 미만, 특히 바람직하게는 1ppm 미만이고/이거나 산소 함량이 바람직하게는 1000ppm 미만, 더욱 바람직하게는 100ppm 미만, 더더욱 바람직하게는 10ppm 미만인, Li-이온 전지를 제조하는 방법.
  14. 제 8 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법 단계 후 하기 단계를 수행하는, Li-이온 전지를 제조하는 방법:
    (y.1) 제조된 전지가 위치하는 트레이를, 제 2 에어록(10)을 통해 하우징으로부터 바깥쪽으로 옮기는 단계.
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