KR20170046910A

KR20170046910A - 이차전지용 전극탭 접합장치

Info

Publication number: KR20170046910A
Application number: KR1020150147104A
Authority: KR
Inventors: 안광선; 조대권
Original assignee: 제일특수소재주식회사
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-05-04

Abstract

본 발명은 이차전지 적층셀(10)의 전극탭(15)을 접합하는 장치에 있어서: 적층셀(10)을 설정 위치에서 지지하는 고정프레임(20); 상기 베이스(20) 상에 전후진 가능하게 설치되는 이동프레임(30); 상기 이동프레임(30)에 구비되는 상부가압대(41)와 하부가압대(42) 상에서 적층셀(10)의 전극탭(15)을 가압하여 융착하는 본딩수단(40); 및 상기 이동프레임(30)과 본딩수단(40)의 작동 타이밍을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어기(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 교호로 적층되는 이차전지의 음양극 셀을 양산에서 전기적으로 연결하는 과정에서 다층의 전극탭 간의 불균일 변형량을 최소로 유지하여 생산성과 내구성 저하를 방지하는 효과가 있다.

Description

이차전지용 전극탭 접합장치{Electrode tab bonding apparatus for secondary battery}

본 발명은 이차전지 제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 교호로 적층되는 이차전지의 음양극 셀을 전기적으로 연결하기 위한 이차전지용 전극탭 접합장치에 관한 것이다.

이차전지는 충방전을 통해 반복사용이 가능한 전지로 경제적 측면은 물론 환경친화적 측면에서 미래의 신성장동력 산업으로 인식되고 있다. 이차전지에 있어서 주요부 핵심소재 개발이 중요하지만 전극탭 적층을 비롯한 패키징 기술도 수반되어야 한다. 예컨대, 휴대폰, IT기기, 전기자동차 등에 널리 사용되는 리튬이차전지의 경우 금속 박판의 전극탭을 적층하여 접합하기 위하여 다양한 접합기술이 개발 및 적용되고 있다.

이와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1492726호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1029772호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 다수 개 적층된 포일의 무지부 측에 다수 개의 관통공을 형성하고, 상기 관통공에 금속 와이어나 금속 분말 또는 용융 금속을 투입한 후 상기 무지부가 상호 밀착되도록 고온 가압하여 상기 무지부를 융착함을 요지로 한다. 이에 따라, 간단한 공정에 의해서도 효과적이고도 안정적으로 융착할 수 있는 장점을 기대한다.

선행문헌 2는 작업대 위에 용접작업 대상의 전지셀이 놓이는 베드; 상기 베드의 일측에 결합되어 전지셀의 전극리드와 이에 용접하고자 하는 전극단자가 올려져서 용접이 이루어지도록 형성된 용접대; 상기 작업대의 상면에 장착되고, 상하방향으로 상승 또는 하강하는 승강장치; 상기 승강장치의 상단에 결합되어, 플라즈마를 조사하는 용접헤드가 장착되는 헤드;를 포함한다. 이에, 용접불량의 염려가 없고 자동화에 의한 작업능률을 향상하는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 다수로 적층된 전극탭을 가압하는 과정에서 변형량 차이로 인한 불균일한 장력이 발생하여 양산의 불량과 생산성 저하는 물론 완제품 이차전극의 내구성 저하를 초래할 우려가 크다.

1. 한국 등록특허공보 제1492726호 "배터리의 전극 탭 융착 장치 및 방법" (공개일자 : 2015.01.09.) 2. 한국 등록특허공보 제1029772호 "중대형 이차전지의 전극용접장치" (공개일자 : 2011.04.19.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 교호로 적층되는 이차전지의 음양극 셀을 양산에서 전기적으로 연결하는 과정에서 다층의 전극탭 간의 불균일 변형량을 최소로 유지하기 위한 이차전지용 전극탭 접합장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이차전지 적층셀의 전극탭을 접합하는 장치에 있어서: 적층셀을 설정 위치에서 지지하는 고정프레임; 상기 베이스 상에 전후진 가능하게 설치되는 이동프레임; 상기 이동프레임에 구비되는 상부가압대와 하부가압대 상에서 적층셀의 전극탭을 가압하여 융착하는 본딩수단; 및 상기 이동프레임과 본딩수단의 작동 타이밍을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본딩수단의 상부가압대와 하부가압대는 선단의 가압롤러를 개재하여 가압과 융착을 순차적으로 진행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 가압롤러는 각각의 가압대 상에 탄성적으로 지지되고, 작용하는 하중을 검출하기 위한 압력센서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 이동프레임의 원점위치 및 위치변동을 검출하는 위치센서, 상부가압대와 하부가압대는 원점위치 및 위치변동을 검출하는 위치센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 이동프레임과 가압대의 원점위치 이동을 처리하는 원점이동부, 원점위치를 기준으로 작업의 시작과 종료 위치를 저장하는 수동설정부, 시작위치 및 종료위치 사이에서 작업을 반복적으로 실행하는 자동실행부, 시작위치 및 종료위치의 변동데이터를 축적하여 위치보정을 실행하는 보정연산부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 교호로 적층되는 이차전지의 음양극 셀을 양산에서 전기적으로 연결하는 과정에서 다층의 전극탭 간의 불균일 변형량을 최소로 유지하여 생산성과 내구성 저하를 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 개념적으로 나타내는 모식도
도 2는 도 1의 장치의 주요부를 좌측에서 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 작업종료 상태를 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 다른 작업상태를 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 이차전지 적층셀(10)의 전극탭(15)을 접합하는 장치에 관하여 제안한다. 특히 적층셀(10)은 전극부와 무지부를 지닌 포일을 적층하고 무지부에 형성된 전극탭(15)을 접합시킨 형태의 이차전지를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 전극탭(15)의 접합에 있어서 공지된 제반 융착법(전기히터, 고주파 유도가열, 초음파 등)을 적용할 수 있고, 접합력을 높이기 위해 금속 분말나 금속 와이어를 부가할 수 있다.

한편, 도 1을 기준으로 전방(선단)은 대상물이 투입되는 좌측 방향, 후방(후단)은 그 반대의 우측 방향으로 정의한다.

본 발명에 따르면 고정프레임(20)이 적층셀(10)을 설정 위치에서 지지하는 구조를 지닌다. 고정프레임(20)은 대상물인 적층셀(10)을 설정된 위치로 유도하여 지지하기 위해 상면에 지그(25)를 구비한다. 대상물의 규격이 변동되는 경우 이에 맞추어 지그(25)를 재설정한다. 고정프레임(20)의 내부에 설치되는 LM가이드(22)는 후술하는 이동프레임(30)에 맞물려 전후진 직선운동을 안내한다.

또, 본 발명에 따르면 이동프레임(30)이 상기 베이스(20) 상에 전후진 가능하게 설치되는 구조를 지닌다. 이동프레임(30)은 고정프레임(20)보다 높게 수직으로 형성되고 고정프레임(20)의 후단에서 전방의 설정된 위치까지 왕복으로 이동 가능하다. 도시에서 이동프레임(30)의 전후진 이동을 위한 수단으로 리드스크류(35)와 모터(36)를 예시하지만, 접합장치의 규격에 따라 리드스크류(35)는 볼스크류, 워엄기어-래크-피니언, 캠-스프링 등으로 대체할 수 있다. 이동프레임(30)의 내부에 설치되는 LM가이드(32)는 후술하는 본딩수단(40)의 상부가압대(41)와 하부가압대(42)에 각각 맞물려 승하강 직선운동을 안내한다.

또, 본 발명에 따르면 본딩수단(40)이 상기 이동프레임(30)에 구비되는 상부가압대(41)와 하부가압대(42) 상에서 적층셀(10)의 전극탭(15)을 가압하여 융착하는 구조를 지닌다. 본딩수단(40)은 상하로 배열된 다수의 전극탭을 접합하는 외에 각각의 전극탭에 수반되는 불균일 변형량을 최소화해야 한다. 즉, 도 3과 같은 접합상태라면 적층된 중앙의 전극탭은 변형량이 없고 상단과 하단으로 갈수록 변형량이 증가된다. 불균일 변형량이 증가되면 결국 상단과 하단의 전극탭(15)이 손상되어 제조공정의 불량이나 사용중의 내구성 저하를 초래한다.

한편, 도시에서 가압대(41)(42)의 상하 이동을 위한 수단으로 리드스크류(45)와 모터(46)를 예시하지만, 접합장치의 규격에 따라 리드스크류(35)는 볼스크류, 워엄기어-래크-피니언, 캠-스프링 등으로 대체할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어기(50)가 상기 이동프레임(30)과 본딩수단(40)의 작동 타이밍을 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조를 지닌다. 제어기(50)는 적층셀(10)의 전극탭(15)에 발생하는 불균일 변형량을 축소하기 위한 설정된 알고리즘을 탑재한다. 이러한 알고리즘은 적층된 전극탭(15)의 가압 및 융착 타이밍을 조절함을 요지로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본딩수단(40)의 상부가압대(41)와 하부가압대(42)는 선단의 가압롤러(43)를 개재하여 가압과 융착을 순차적으로 진행하는 것을 특징으로 한다. 상부가압대(41)와 하부가압대(42)의 선단에 각각 회전 가능하게 설치되는 가압롤러(43)는 전술한 제어기(50)의 알고리즘을 하드웨어적으로 보조하는 중요한 요소이다. 종래에는 융착이 가압보다 다소 선행하거나 거의 동시에 진행하지만, 본 발명에서 가압이 선행하고 설정된 타이밍으로 융착이 후행한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 가압롤러(43)는 각각의 가압대(41)(42) 상에 탄성적으로 지지되고, 작용하는 하중을 검출하기 위한 압력센서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 가압롤러(43)는 가압과 융착 과정에서 각각의 가압대(41)(42) 상의 돌출높이를 축소하지만 가압력이 해제되면 스프링(도시 생략)으로 복원되어 가압대(41)(42) 상의 돌출높이를 증가시킨다. 도 4처럼 상부가압대(41)와 하부가압대(42)에서 가압롤러(43)가 장착되는 부분은 곡면으로 가공한다. 압력센서는 가압롤러(43)에서 가압대(41)(42)에 이르는 중간에 설치하여 가압과 융착 과정의 작용하중 변화를 검출한다. 본 발명은 전극탭(15)의 접합시 주요부 위치제어를 기반으로 하지만 압력(하중) 정보를 보조적으로 활용한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(50)는 이동프레임(30)의 원점위치 및 위치변동을 검출하는 위치센서(38), 상부가압대(41)와 하부가압대(42)는 원점위치 및 위치변동을 검출하는 위치센서(48)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 일측의 위치센서(38)는 이동프레임(30)의 전후진 운동을 수행하는 모터(36)에 설치되고, 타측의 위치센서(48)는 가압대(41)(42)의 승하강 운동을 수행하는 모터(46)에 설치된다. 모터(38)(48)에 설치되는 위치센서(38)(48)로 홀센서나 엔코더를 사용할 수 있다. 이외에 이동프레임(30)과 가압대(41)(42)의 원점위치를 인식하기 용이하도록 별도의 리미트스위치, 근접스위치 등을 부가할 수도 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(50)는 이동프레임(30)과 가압대(41)(42)의 원점위치 이동을 처리하는 원점이동부(52), 원점위치를 기준으로 작업의 시작과 종료 위치를 저장하는 수동설정부(54), 시작위치 및 종료위치 사이에서 작업을 반복적으로 실행하는 자동실행부(56), 시작위치 및 종료위치의 변동데이터를 축적하여 위치보정을 실행하는 보정연산부(58)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 제어기(50)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터퍼이스를 지닌 마이컴 회로를 기반으로 한다. 원점이동부(52), 수동설정부(54), 자동실행부(56), 보정연산부(58)는 이동프레임(30), 상부가압대(41), 하부가압대(42) 등의 주요 기능부 운동을 처리하는 요소이다.

이때, 원점이동부(52)는 대상물의 규격에 무관하게 주요 기능부를 설정된 원점위치로 복귀시키는 요소이고, 수동설정부(54)는 대상물의 규격에 대응하여 주요 기능부의 새로운 원점을 입력하는 요소이고, 자동실행부(56)는 주요 기능부가 설정된 시컨스로 운동하도록 처리하는 요소이고, 보정연산부(58)는 접합과정의 제반 정보를 축적하고 퍼지적인 연산을 처리하는 요소이다.

작동에 있어서, 최초에 대상물을 고정프레임(20)에 로딩하고 원점이동부(52)를 가동하여 준비를 마치고, 수동설정부(54)로 주요 기능부를 원하는 위치로 이동하여 시작위치와 종료위치를 교시하고, 자동실행부(56)를 가동하여 하나의 대상물에 대한 접합을 완료하고, 이어서 같은 방식으로 후속되는 대상물에 대한 일련의 시컨스 작업으로 접합을 완료한다. 시컨스 작업은 도 3과 같이 가압대(41)(42)를 접근시키면서 자유단 상태의 전극탭(15)을 가압하고, 이와 동시에 이동프레임(30)을 후방으로 이동시켜 전극탭(15) 간의 변형량을 최소화하며, 이동프레임(30)이 후단행정단에 접근하면서 가압롤러(43)를 통하여 융착을 수행하도록 진행된다. 이와 같은 가압과 융착의 타이밍은 대상물에 따라 달라지므로 데이터 축적을 통하여 생력화 강도를 높일 수 있다. 그리고 주요 기능부의 마모가 진행되므로 보정연산부(58)를 통한 타이밍 보정을 반영하는 것이 바람직하다.

한편, 도 3은 상하의 가압대(41)(42)가 전극탭(15)의 양단을 동시에 접합하는 공정을 예시하지만, 도 4처럼 하부가압대(42)가 정지 상태로 유지되고 상부가압대(41)만 이동하는 공정도 가능하다. 도 4의 경우 도 3에 비하여 전극탭(15)의 변형량이 더욱 증대되므로 제어기(50)에 의한 가압-융착 타이밍 조절이 다른 패턴으로 진행되어야 한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 적층셀 15: 전극탭
20: 고정프레임 22: LM가이드
25: 지그 30: 이동프레임
32: LM가이드 35, 45: 리드스크류
36, 46: 모터 38, 48: 위치센서
40: 본딩수단 41, 42: 가압대
43: 가압롤러 50: 제어기
52: 원점이동부 54: 수동설정부
56: 자동실행부 58: 보정연산부

Claims

이차전지 적층셀(10)의 전극탭(15)을 접합하는 장치에 있어서:
적층셀(10)을 설정 위치에서 지지하는 고정프레임(20);
상기 베이스(20) 상에 전후진 가능하게 설치되는 이동프레임(30);
상기 이동프레임(30)에 구비되는 상부가압대(41)와 하부가압대(42) 상에서 적층셀(10)의 전극탭(15)을 가압하여 융착하는 본딩수단(40); 및
상기 이동프레임(30)과 본딩수단(40)의 작동 타이밍을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어기(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극탭 접합장치.
청구항 1에 있어서,
상기 본딩수단(40)의 상부가압대(41)와 하부가압대(42)는 선단의 가압롤러(43)를 개재하여 가압과 융착을 순차적으로 진행하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극탭 접합장치.
청구항 2에 있어서,
상기 가압롤러(43)는 각각의 가압대(41)(42) 상에 탄성적으로 지지되고, 작용하는 하중을 검출하기 위한 압력센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극탭 접합장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기(50)는 이동프레임(30)의 원점위치 및 위치변동을 검출하는 위치센서(38), 상부가압대(41)와 하부가압대(42)는 원점위치 및 위치변동을 검출하는 위치센서(48)를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극탭 접합장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기(50)는 이동프레임(30)과 가압대(41)(42)의 원점위치 이동을 처리하는 원점이동부(52), 원점위치를 기준으로 작업의 시작과 종료 위치를 저장하는 수동설정부(54), 시작위치 및 종료위치 사이에서 작업을 반복적으로 실행하는 자동실행부(56), 시작위치 및 종료위치의 변동데이터를 축적하여 위치보정을 실행하는 보정연산부(58)를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극탭 접합장치.