KR20160125180A - 케이블형 이차전지 제조장치 - Google Patents

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KR20160125180A
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Abstract

본 발명은 권심의 외면에 음극과 분리막 및 양극이 순차적으로 권취되어 있는 케이블형 전지셀을 제조하는 장치로서, 권심을 제 1 방향으로 전진시키면서 공급하는 권심 공급부; 권심 공급부로부터 제 1 방향으로 공급되는 권심의 외면에 와이어 형상의 음극을 나선형으로 와인딩(winding) 하면서 공급하는 음극 공급부; 권심에 와인딩 되어있는 음극의 외면에 스트립 형상의 분리막을 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 분리막 공급부; 및 권심에 와인딩 되어있는 분리막의 외면에 스트립 형상의 양극을 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 양극 공급부;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치를 제공한다.

Description

케이블형 이차전지 제조장치 {A Device for a Cable-type Secondary Battery}
본 발명은 케이블형 이차전지 제조장치에 관한 것이다.
최근 이차 전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"(rechargeable battery)라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다. 이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다.
이차 전지는 현재 낮은 전력을 사용하는 곳에 쓰인다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있다. 최근 무선통신 기술의 발전은 휴대용 장치의 대중화를 주도하고 있으며, 종래의 많은 종류의 장치들을 무선화하는 경향도 있어, 이차전지에 대한 수요가 폭발하고 있다. 또한, 환경오염 등의 방지 측면에서 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 실용화되고 있는데, 이들 차세대 자동차들은 이차전지를 사용하여 값과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채용하고 있다.
일반적으로 이차전지는 원통형, 각형 또는 파우치형의 전지가 대부분이다. 이는 이차전지는 음극, 양극 및 분리막으로 구성된 전극조립체를 원통형 또는 각형의 금속캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극 조립체에 전해질을 주입시켜 제조하기 때문이다. 따라서, 이차전지 장착을 위한 일정한 공간이 필수적으로 요구되므로, 이러한 이차전지의 원통형, 각형 또는 파우치형의 형태는 다양한 형태의 휴대용 장치의 개발에 대한 제약으로 작용하게 되는 문제점이 있다. 이에, 형태의 변형이 용이한 신규한 형태의 이차전지가 요구되고 있다.
한편, 이러한 요구에 의하여, 단면적 직경에 대하여 길이의 비가 매우 큰 전지인 선형전지가 개발되었으며, 내부전극, 외부전극과 이들 전극 사이에 개재되는 전해질층으로 구성되는 가변형 전지를 개시하고 있다. 이러한 이차전지는 가늘고 긴 형태로 구성되어 길이 방향에 대해 신축 가능한 소위, 케이블 구조를 가지는 것이 주요한 특징이다.
그러나, 이러한 케이블형 이차전지는 제조과정에서, 특히, 음극을 제조하기 위해 권심에 권취한 후에 상기 권심을 제거하는 과정이 포함되어 있는 바, 이러한 권심 제거 과정에서 권심과 음극 사이의 계면 마찰력에 의해 음극의 일부가 외부로 노출되는 꽁지 빠짐 현상 등이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 종래의 케이블형 이차전지를 사용하면서도 음극 권취 후에 권심 제거 과정에서 발생되는 문제를 해결할 수 있는 케이블형 이차전지의 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 음극을 제조하는 과정에서, 음극을 권취하는 권심을 중공 구조로 형성하여 상기 권심을 제거할 필요가 없으므로, 전지의 제조 과정에서 발생되는 안전성의 문제를 해결할 수 있는 케이블형 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 케이블형 전지셀 제조 장치는,
권심의 외면에 음극과 분리막 및 양극이 순차적으로 권취되어 있는 케이블형 전지셀을 제조하는 장치로서,
권심을 제 1 방향으로 전진시키면서 공급하는 권심 공급부;
권심 공급부로부터 제 1 방향으로 공급되는 권심의 외면에 와이어 형상의 음극을 나선형으로 와인딩(winding) 하면서 공급하는 음극 공급부;
권심에 와인딩 되어있는 음극의 외면에 스트립 형상의 분리막을 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 분리막 공급부; 및
권심에 와인딩 되어있는 분리막의 외면에 스트립 형상의 양극을 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 양극 공급부;
를 포함하는 구조일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 권심은 전기절연성 소재의 와이어가 바람직하게 적용될 수 있고, 예를 들어, 상기 와이어는 중공 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 음극 권취 후에 권심을 제거할 필요가 없으므로, 이러한 권심 제거 과정으로 발생되는 꽁지빠짐 현상을 방지하여 제조 과정상의 안전성을 확보할 수 있다.
상기 와이어는 수직 단면상으로 외형이 다각형, 원형 또는 타원형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 권심은 0.5 내지 2 mm/sec의 속도로 공급되는 구조일 수 있다.
상기 권심 공급부는, 예를 들어, 권심을 회전 또는 비회전 상태로 제 1 방향으로 공급하는 구조일 수 있다.
상기 구조에서, 상기 음극 공급부는,
권심이 통과하는 관통구가 중앙에 천공되어 있고, 제 1 방향에 대해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 회전 원판; 및
롤러 축이 제 1 방향에 대해 평행한 상태로 회전 원판의 일면에 장착되어 있고 음극을 공급하는 하나 이상의 음극 피딩 롤러;
를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 피딩 롤러는 회전 원판의 회전 방향에 대해 반대 방향으로 회전하면서 음극을 공급하는 구조일 수 있다. 경우에 따라서, 상기 음극이 권심에 대해 일정한 텐션(tention)을 유지하면서 유격 없이 효과적으로 와인딩될 수 있도록 피딩 롤러 또는 텐션 제어기를 추가적으로 구성할 수 있다.
상기 회전 원판에는 복수의 음극 피딩 롤러들이 관통구를 기준으로 방사상으로 위치되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 상기 음극 피딩 롤러들이 상호 동일한 간격으로 상호 이격되어 위치하므로, 각각의 음극 피딩 롤러에서 공급되는 음극들이 편차없이 안정적으로 와인딩될 수 있다.
경우에 따라, 상기 회전 원판에는 각각의 음극 피딩 롤러로부터 권출된 음극이 권심의 외면에 균일하게 와이딩되는 것을 유도하는 하나 이상의 유도 부재가 장착되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 유도 부재는 음극이 용이하게 안내되도록 제공되는 바, 가이드 바(bar) 형상 또는 롤러 형상 등 다양한 형상으로 제공될 수 있음은 물론이다.
여기서, 본 발명에 따르면, 4개의 상기 음극 피딩 롤러들이 관통구를 기준으로 방사상으로 위치되어 있는 구조일 수 있으나, 상기 음극 피딩 롤러들의 위치 및 개수는 특별히 제한되는 것은 아님은 물론이다. 따라서, 음극 피딩 롤러들이 안정적인 위치에 고정된 상태에서 동시에 동일한 속도로 음극을 균일하게 공급함으로써, 권심에 대해 음극이 안정적으로 와인딩될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막 공급부의 분리막 와인딩 방향과 양극 공급부의 양극 와인딩 방향은 서로 동일하고, 음극 공급부의 음극 와인딩 방향에 대해 반대로 이루어질 수 있다.
상기 구조에서, 상기 분리막 공급부와 양극 공급부는, 음극 공급부의 음극 와인딩 방향에 반대가 되도록, 상호 연동되어 있는 구조로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 상기 음극 공급부에 대해 상기 분리막 공급부과 양극 공급부의 와인딩 방향이 상호 반대 방향으로 회전함으로써, 음극이 소정의 각속도로 와인딩 되면서 권심에 가해질 수 있는 회전력에 의한 뒤틀림 또는 꼬임 등을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른, 상기 분리막 공급부는,
분리막을 공급하는 분리막 피딩 롤러; 및
상기 분리막 피딩 롤러의 축이 일측 단부에 장착되어 있고 제 1 방향에 대해 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전하는 분리막 회전 축;
을 포함하는 구조일 수 있다.
상기 분리막 피딩 롤러의 축은 권심에 대한 분리막의 나사형 와이딩 각도를 조절할 수 있도록 분리막 회전 축에 피벗 구조로 장착되어 있는 구조일 수 있다.
또, 상기 양극 공급부는,
양극을 공급하는 양극 피딩 롤러; 및
상기 양극 피딩 롤러의 축이 일측 단부에 장착되어 있고 제 1 방향에 대해 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전하는 양극 회전 축;
을 포함하는 구조일 수 있다.
상기 양극 피딩 롤러의 축은 권심에 대한 양극의 나사형 와이딩 각도를 조절할 수 있도록 양극 회전 축에 피벗 구조로 장착될 수 있다.
상기 구조에서, 상기 분리막 회전 축과 양극 회전 축은, 권심을 중심으로 상호 연동되어 회전할 수 있도록, 각각의 타측 단부들이 서로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막 피딩 롤러의 축과 양극 피딩 롤러의 축은 각각 독립적으로 권심에 대해 20도 내지 80도의 범위 내에서 나사형 와이딩 각도가 설정되는 구조일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 음극 공급부는, 예를 들어, 100 내지 500 rpm의 속도로 회전하는 구조일 수 있고, 상기 분리막 공급부 및 양극 공급부는 30 내지 70 rpm의 속도로 회전하는 구조일 수 있다. 즉, 상대적으로 높은 회전 속도로 와인딩되는 음극의 회전력을 저감시키도록 상기 상기 분리막 공급부 및 양극 공급부는 연동되어 반대 방향으로 회전하며 상기 음극의 회전력을 상쇄시킨다.
경우에 따라, 상기 음극 공급부와 분리막 공급부 사이에는 권심의 외면에 와인딩된 음극의 권취 상태를 안정화하고 권심의 진행을 유도하는 홀더가 추가적으로 구성될 수 있다.
또, 양극이 최종적으로 와인딩된 전지셀을 권취하는 셀 와인더를 더 포함하는 구조일 수 있다. 여기서, 양극 공급부와 셀 와인더 사이에도 홀더가 추가적으로 구성될 수 있으며, 상기 음극 공급부와 분리막 공급부 사이에 위치하는 홀더와 연동하여 권심을 안정적으로 이동시킬 수 있다.
경우에 따라, 양극이 최종적으로 와인딩된 전지셀을 소정의 길이로 커팅(cutting)하는 커팅부를 더 포함하는 구조일 수 있다. 본 발명에서는 셀 와이더가 전지셀을 권취하는 구조를 취하는 바, 필요에 따라 별도의 커팅부를 형성시켜 소정의 길이로 절취하여 회수되는 구조일 수 있다.
본 발명은, 상기 장치를 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀을 제공한다.
여기서, 상기 전지셀은 리튬이온 이차전지 또는 리튬이온인 폴리머 이차전지일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 바와 같이, 양극, 음극, 전해질 등으로 구성되어 있는 바, 이하에서 상술한다.
상기 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막 및 리튬 함유 비수계 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은 예를 들어, 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
상기 양극 합제는 양극 활물질 이외에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 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 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 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 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등의 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 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 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.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 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 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (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 있다.
본 발명에 따르면, 상기 케이블형 전지셀은, 전기절연성의 중공형 권심, 상기 권심의 외면에 나선형으로 권취되어 있는 와이어 형상의 하나 이상의 음극, 상기 음극의 외면에 나선형으로 권취되어 있는 스트립 형상의 분리막, 상기 분리막의 외면에 나선형으로 권취되어 있는 스트립 형상의 양극, 및 상기 양극의 외면을 감싸고 있는 외장 부재를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 전원으로 포함하는 웨어러블(Wearable) 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는, 예를 들어, 웨어러블 스마트폰, 스마트 워치(watch), 글래스(glass) 또는 밴드(band)일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 케이블형 이차전지는, 음극을 제조하는 과정에서, 음극이 권취되는 권심을 중공 구조로 형성시킴으로써, 상기 권심을 제거할 필요가 없으므로 전지의 제조 과정에서 발생되는 꽁지 빠짐 현상 등의 안전성의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 케이블형 전지셀 제조장치의 사진이다;
도 2은 도 1의 음극 공급부의 사진이다;
도 3는 본 발명에 따른 케이블형 전지셀 제조 장치의 분리막 공급부의 사진이다;
도 4는 도 1의 양극 공급부의 사진이다;
도 5는 도 1의 셀 와인더의 사진이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조장치가 작동하는 모습을 나타내는 부분 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 1에는 본 발명에 따른 케이블형 전지셀 제조장치의 사진이 나타나있고, 도 2에는 도 1의 음극 공급부의 사진이 나타나 있고, 도 3에는 본 발명에 따른 케이블형 전지셀 제조 장치의 분리막 공급부의 사진이며, 도 4에는 도 1의 양극 공급부가 나타나 있고, 도 5에는 도 1의 셀 와인더의 사진이 각각 나타나 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 케이블형 전지셀 제조장치(100)는 음극(111)을 권심의 외면에 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 음극 공급부(110), 권심에 와인딩 되어있는 음극(111)의 외면에 스트립 형상의 분리막(121)을 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 분리막 공급부(120), 권심에 와인딩 되어있는 분리막(121)의 외면에 스트립 형상의 양극(131)을 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 양극 공급부(130) 및 양극(131)이 최종적으로 와인딩된 전지셀을 권취하는 셀 와인더(150)을 포함하여 구성되어 있다.
권심이 공급되는 방향으로 음극 공급부(110), 분리막 공급부(120), 양극 공급부(130) 및 셀 와인더(150)가 순차적으로 배치되어 있다.
음극 공급부(110)는 권심(도 6: 200)이 통과하는 관통구(도시하지 않음)가 중앙에 천공되어 있고, 일 방향으로 회전하는 회전 원판(113) 및 롤러 축이 상기 일 방향에 대해 평행한 상태로 회전 원판(113)의 일면에 장착되어 있고 음극(111)을 공급하는 4개의 음극 피딩 롤러들(112)을 포함하여 구성되어 있다.
회전 원판(113)에는, 각각의 음극 피딩 롤러들(112)로부터 공급되는 음극(111)이 권심의 외면에 균일하게 와이딩 되도록, 음극 피딩 롤러들(112)의 인접한 부위에 4개의 유도 부재들(도 6: 115)이 각각 장착되어 있다.
4개의 음극 피딩 롤러들(112)은 권심이 제공되는 횐전 원판(113)의 중심으로부터 방사상 위치에 장착되어 있고, 각각의 음극 피딩 롤러들(112)로부터 공급되는 음극(111)들은 권심(200)에 대해 수직 방향으로 공급한다.
분리막 공급부(120)는 분리막(121)을 공급하는 분리막 피딩 롤러(122) 및 상기 분리막 피딩 롤러(122)의 축(123)이 일측 단부에 장착되어 있고 일 방향에 대해 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전하는 분리막 회전 축(122)을 포함하여 구성되어 있다.
양극 공급부(130)는 양극(131)을 공급하는 양극 피딩 롤러(132) 및 상기 양극 피딩 롤러의 축이 일측 단부에 장착되어 있고 일 방향에 대해 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전하는 양극 회전 축(133)을 포함하여 구성되어 있다.
셀 와인더(150)은 전체적으로 원판 형상으로 형성되어 있고, 회전 축(도시하지 않음)을 중심으로 와인딩이 완료된 전지셀(300)을 권취하며 회수한다.
한편, 음극 공급부(110)과 분리막 공급부(120) 사이와 양극 공급부(130)와 셀 와인더(150) 사이에는 권심의 외면에 와인딩된 음극의 권취 상태를 안정화하고 권심의 진행을 유도하는 홀더들(160)이 장착되어 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 제조장치가 작동하는 모습을 나타내는 부분 모식도가 도시되어 있다.
이하에서는, 도 6을 도 1 내지 도 5와 함께 참조하여, 케이블형 전지셀 제조장치(100)의 작동 과정을 설명하기로 한다.
권심(200)은 음극 공급부(110)의 중심을 관통한 형상으로 일방향(화살표 방향 참조)으로 공급되고, 회전 원판(113)에 방사상에 장착되어 있는 4개의 음극 피딩 롤러들(112)로부터 음극들(111)이 권심(200) 상에 나선형으로 와인딩 된다.
여기서, 유도 부재들(115)은 음극(111)이 권심(200) 상에 용이하게 권취될 수 있도록 음극 피딩 롤러들(112)의 인접 부위에 장착되어 있으므로, 음극(111)이 지면에 대해 수평 방향으로 공급되는 권심(200)에 대해 수직 방향으로 공급된다. 따라서, 음극(111)이 권심(200) 상에 꼬임이나 유격 없이 안정적으로 와이딩 된다.
음극(111)인 와인딩 되면, 분리막 공급부(120)의 분리막 피딩 롤러(121)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하며 연속적으로 음극(111) 상에 분리막(121)을 와인딩하게 된다. 이와 동시에, 필요에 따라, 이동 가능하게 장착되어 있는 분리막 피딩 롤러(122)의 축(123)이 좌우측 방향(화살표 방향 참조)으로 이동하며 와인딩 속도와 일정한 장력이 유지되도록 조절함으로써, 안정적으로 분리막(121)을 공급할 수 있다.
이 후, 분리막 공급부(120)로부터 분리막(121)이 음극(111) 상에 안정적으로 와인딩 되면, 후방에 배치되어 있는 양극 공급부(130)로부터 양극(131)이 분리막(121) 상에 와인딩 된다. 여기서, 분리막 공급부(120)와 마찬가지로 양극 피딩 롤러(132)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하고, 양극 피딩 롤러(132)의 축(133)이 좌우측 방향으로 이동하며 와인딩 속도와 일정한 장력이 유지되도록 조절하면서 안정적으로 양극(131)을 와인딩 한다.
최종적으로, 음극(111), 분리막(121) 및 양극(131)이 순차적으로 와인딩이 이루어져 제작된 전지셀(300)은 셀 와인더(150)에 리와인딩됨으로써, 케이블형 전지셀(300)의 제조공정이 완료된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 권심의 외면에 음극과 분리막 및 양극이 순차적으로 권취되어 있는 케이블형 전지셀을 제조하는 장치로서,
    권심을 제 1 방향으로 전진시키면서 공급하는 권심 공급부;
    권심 공급부로부터 제 1 방향으로 공급되는 권심의 외면에 와이어 형상의 음극을 나선형으로 와인딩(winding) 하면서 공급하는 음극 공급부;
    권심에 와인딩 되어있는 음극의 외면에 스트립 형상의 분리막을 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 분리막 공급부; 및
    권심에 와인딩 되어있는 분리막의 외면에 스트립 형상의 양극을 나선형으로 와인딩 하면서 공급하는 양극 공급부;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 권심은 전기절연성 소재의 와이어인 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 와이어는 중공 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 공급부는,
    권심이 통과하는 관통구가 중앙에 천공되어 있고, 제 1 방향에 대해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 회전 원판; 및
    롤러 축이 제 1 방향에 대해 평행한 상태로 회전 원판의 일면에 장착되어 있고 음극을 공급하는 하나 이상의 음극 피딩 롤러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 음극 피딩 롤러는 회전 원판의 회전 방향에 대해 반대 방향으로 회전하면서 음극을 공급하는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 회전 원판에는 복수의 음극 피딩 롤러들이 관통구를 기준으로 방사상으로 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 회전 원판에는 각각의 음극 피딩 롤러로부터 권출된 음극이 권심의 외면에 균일하게 와이딩 되는 것을 유도하는 하나 이상의 유도 부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 공급부의 분리막 와인딩 방향과 양극 공급부의 양극 와인딩 방향은 서로 동일하고, 음극 공급부의 음극 와인딩 방향에 대해 반대인 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 분리막 공급부와 양극 공급부는, 음극 공급부의 음극 와인딩 방향에 반대가 되도록, 상호 연동되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 공급부는,
    분리막을 공급하는 분리막 피딩 롤러; 및
    상기 분리막 피딩 롤러의 축이 일측 단부에 장착되어 있고 제 1 방향에 대해 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전하는 분리막 회전 축;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 분리막 피딩 롤러의 축은 권심에 대한 분리막의 나사형 와이딩 각도를 조절할 수 있도록 분리막 회전 축에 피벗 구조로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 공급부는,
    양극을 공급하는 양극 피딩 롤러; 및
    상기 양극 피딩 롤러의 축이 일측 단부에 장착되어 있고 제 1 방향에 대해 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전하는 양극 회전 축;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 양극 피딩 롤러의 축은 권심에 대한 양극의 나사형 와이딩 각도를 조절할 수 있도록 양극 회전 축에 피벗 구조로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  14. 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 분리막 회전 축과 양극 회전 축은, 권심을 중심으로 상호 연동되어 회전할 수 있도록, 각각의 타측 단부들이 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  15. 제 11 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 분리막 피딩 롤러의 축과 양극 피딩 롤러의 축은 각각 독립적으로 권심에 대해 20도 내지 80도의 범위 내에서 나사형 와이딩 각도가 설정되는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 공급부과 분리막 공급부 사이에는 권심의 외면에 와인딩된 음극의 권취 상태를 안정화하고 권심의 진행을 유도하는 홀더가 추가적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 양극이 최종적으로 와인딩된 전지셀을 권취하는 셀 와인더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 양극이 최종적으로 와인딩된 전지셀을 소정의 길이로 커팅(cutting)하는 커팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀 제조 장치.
  19. 제 1 항에 따른 장치를 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 케이블형 전지셀은, 전기절연성의 중공형 권심, 상기 권심의 외면에 나선형으로 권취되어 있는 와이어 형상의 하나 이상의 음극, 상기 음극의 외면에 나선형으로 권취되어 있는 스트립 형상의 분리막, 상기 분리막의 외면에 나선형으로 권취되어 있는 스트립 형상의 양극, 및 상기 양극의 외면을 감싸고 있는 외장 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 전지셀.
  21. 제 19 항에 따른 전지셀을 전원으로 포함하는 웨어러블(Wearable) 디바이스.
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