KR20170114351A - 제조 공정성이 향상된 전극조립체 제조 장치 - Google Patents

제조 공정성이 향상된 전극조립체 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극들과 분리막을 열과 압력으로 접합시켜 단위셀들을 제조하는 접합부; 상기 접합부로 전극들과 분리막을 공급하는 공급부; 및 상기 접합부와 공급부 사이에 배치되어 있고, 공급부로부터 접합부로 전극을 유도하는 가이드 부;를 포함하고 있고, 상기 가이드 부는, 전극의 상면과 하면에 밀착된 상태로 전극을 고정시키는 그립퍼와, 상기 그립퍼와 인접한 위치에서 접합부 방향으로 축 회전하면서 전극을 그립퍼로부터 접합부로 이동시키는 가이드 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 장치를 제공한다.

Description

제조 공정성이 향상된 전극조립체 제조 장치 {Manufacturing Apparatus for Electrode Assembly with Improved Productivity}
본 발명은 제조 공정성이 향상된 전극조립체 제조 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지('전지셀')에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지셀 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지셀이 상용화되어 널리 사용되고 있다.
전지셀은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 일 단위의 이차전지 구조를 지칭하며, 양극과 음극 및 분리막 등의 셀 구성체들이 조립 및 조합된 구조를 넓은 의미에서 전극조립체라 지칭하기도 한다.
이러한 전극조립체의 종류는 구조에 따라 크게 전극들과 분리막 등의 셀 구성체들이 권취된 권취형과 상기 셀 구성체들이 적층된 스택형으로 구분된다. 권취형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 권취형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합한 구조적 특징이 있다.
이와는 달리, 스택형 전극조립체는 단일 또는 복수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하고 전극과 분리막들을 접합시킨 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있다.
스택형 전극조립체는 일반적으로 반자동화된 제조 라인, 예를 들어, 전극조립체를 구성하는 셀 구성체들이 물체의 이송이 가능한 레일 또는 회전 롤을 따라 커팅 공정, 접합 공정, 적층 공정 등의 가공을 수행하는 장치들로 이송된 상태로, 상기 장치들에서 전극조립체 형태로 조합 또는 제조될 수 있다.
이중, 접합 공정은 전극들 사이에 분리막이 위치한 상태에서 전극과 분리막에 열과 압력을 인가하여 이들을 상호 접합시키는 라미네이션 방식이 일반적으로 이용되고 있다.
이러한 라미네이션 공정에서는 둘 이상의 전극들이 분리막과 동시에 접합되므로, 이들이 서로 어긋나거나 단차를 이루며 접합되지 않도록, 정 위치에서 정렬된 상태로 접합되어야 한다.
만약, 어느 하나의 전극이 다른 전극에 대해 사선을 이루며 어긋난 상태로 접합된 경우 전극조립체는 전극이 돌출된 형상을 가지며, 돌출된 부위에서의 전극 저항이 높고 전극조립체의 공간 활용도가 낮은 단점이 있다.
따라서, 라미네이션 공정 이전에 전극이 소망하는 위치와 방향을 유지한 상태로 접합 공정에 투입되어 전극조립체 제조 전반의 공정 효율을 향상시킬 수 있는 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전극을 소망하는 위치로 정렬한 상태로 접합 공정이 수행될 수 있고, 제조 전반의 공정성이 향상된 전극조립체의 제조 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제조 장치는,
이차전지용 전극조립체를 제조하는 장치로서,
전극들과 분리막을 열과 압력으로 접합시켜 단위셀들을 제조하는 접합부;
상기 접합부로 전극들과 분리막을 공급하는 공급부; 및
상기 접합부와 공급부 사이에 배치되어 있고, 공급부로부터 접합부로 전극을 유도하는 가이드 부;
를 포함하고 있고,
상기 가이드 부는, 전극의 상면과 하면에 밀착된 상태로 전극을 고정시키는 그립퍼와, 상기 그립퍼와 인접한 위치에서 접합부 방향으로 축 회전하면서 전극을 그립퍼로부터 접합부로 이동시키는 가이드 롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 제조 장치는 접합부로 전극이 투입되기 이전 단계에서 그립퍼에 의해 전극이 정 위치 고정됨과 동시에, 이와 같이 정 위치로 정렬된 전극을 가이드 롤러가 접합부로 이송시킬 수 있으므로, 전극의 어긋남이나 단차 등의 소망하지 않는 불량을 방지할 수 있는 구조로 이루어져 있다.
또한, 본 발명에 따른 제조 장치는, 가이드 롤러에 의한 전극의 이송 시, 전극 사행이나 주름 등의 결함을 방지하면서도, 롤러 상에서 전극의 미끄러짐이나 어긋남을 효과적으로 방지할 수 있는 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 상기 가이드 롤러는,
접합부 방향으로 회전하는 회전 축; 및
상기 회전 축에 일체로 형성되어 있고, 회전 축 대비 상대적으로 큰 회전 반경을 가지도록, 회전 축의 직경에 대해 110% 내지 150%의 직경을 가지는 복수의 밀착롤들;을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
또한, 상기 가이드 롤러는 밀착롤들의 회전 중심과 회전 축의 회전 중심이 상호 일치하는 형태로, 회전 축에 밀착롤들이 형성되어 있을 수 있다.
일반적으로 롤러와 같은 이송 장치 중 일부는, 전극 상에 사행이나 주름이 발생되는 것을 방지하기 위하여, 전극을 가압하는 형태로 회전하도록 구성되어 있으나, 표면이 평평한 롤러로 단순 가압하는 방식은 전극 표면적 전체에 대한 평균 가압력이 높아 전극의 구조가 변형될 수 있을 뿐만 아니라, 전극을 고정시킬 수 있는 압력은 표면 전반으로 분산되기 때문에 롤러의 회전 시, 전극이 롤러 상에서 미끄러질 수 있다.
이와 같이 미끄러진 상태의 전극은 접합 이후에 전극조립체 상에 돌출 부위나 단차와 같은 결함의 원인이 되므로, 전극조립체의 제조 공정성 뿐만 아니라 제조된 전극조립체의 성능을 크게 저해할 수 있다.
이에 본 발명에서는 , 상기 가이드 롤러에서 밀착롤들이 소정의 거리로 이격된 상태로 회전 축 상에 배열된 구조로 이루어져 있고, 상기 밀착롤들이 상호 이격된 위치에는 회전 축과 직경 차이에 따른 만입부들이 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조는, 가이드 롤러가 전극을 이동시킬 때, 상기 만입부들을 제외한 밀착롤들에만 전극 표면이 밀착되면서 전극 표면적 전체에 대한 평균 가압력이 상대적으로 낮게 형성되는 반면에, 만입부들을 제외한 밀착롤들에만 압력이 집중되면서, 회전 축의 회전 시, 전극이 가이드 롤러로부터 미끄러지는 현상을 억제시킬 수 있다.
이는 단순히 미끄러짐을 방지하기 위해 미세 요철이나 마찰력이 높은 소재의 롤러로 대상을 가압하는 방식과 비교될 수 있으나, 이러한 구조들은 전극의 특성 상, 슬러리 형태의 합제가 롤러 표면에 묻어나기 쉬우므로, 전극에 결함을 유발할 수 있다.
즉, 합제층이 묻어나지 않도록 롤러의 표면은 매끄럽되, 이송 간 전극에 대한 위치 고정이 가능한 구조가 이상적이며, 이에 본 발명에서는 앞서 설명한 밀착롤러와 만입부의 구조적 특징에 기반하여 이러한 특성들을 만족할 수 있는 점에 주목해야 한다.
본 발명에서 상기 밀착롤들의 소재는 전극에 밀착이 지속되는 동안 전극의 용량 감소를 방지하기 위하여 전극 합제층과 접촉시 합제층이 묻어나지 않는 소재라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate (PET)), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride (PVC)), 폴리프로필렌(polypropylene (PP)), 및 폴리카보네이트(polycarbonate (PC))로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
앞서 정의한 회전 축과 밀착롤들의 상이한 회전 반경 범위는 구체적으로, 가이드 롤러의 전반적인 크기가 콤팩트할 수 있으면서도, 전극에 대한 압력 집중이 가능한 범위로서, 상기한 110% 미만에서는 실질적으로 만입부들 또한 전극 표면에 밀착되는 바 바람직하지 않으며, 150% 초과 시에는 가이드 롤러가 제조 장치에서 차지하는 공간이 지나치게 확장되므로, 제조 설비 설계 측면에서 바람직하지 않으며, 다른 한편으로는 밀착롤들의 회전 반경이 클수록, 전극 표면에 밀착되는 밀착롤들의 표면적은 감소되므로 본 발명에서 의도한 효과를 충분히 발현할 수 없다.
상기 구조에서 밀착롤들이 과도하게 이격된 형태로 회전축에 형성되어 있는 구조는 전극 표면에 대한 평균 가압력이 낮을 뿐만 아니라, 밀착롤들의 압력 집중 범위 또한 감소된 구조이므로 가이드 롤러 본연의 기능인 전극의 이송이 원활하게 수행되지 않을 수 있으며, 경우에 따라서는 전극이 가이드 롤러로부터 역행할 수 있다. 또한, 밀착롤들이 너무 근접하게 위치할 경우에는 전극 표면적 전체에 대한 평균 가압력이 높아지므로 바람직하지 않다.
이에 본 발명에서 밀착롤들이 상호 이격된 거리는 가이드 롤러를 통과하는 전극의 폭 대비 1% 내지 10%일 수 있다.
이상 설명한 가이드 롤러로 투입되는 전극을 고정시키는 그립퍼는 전극의 상면에 밀착되는 제 1 그립과 하면에 밀착되는 제 2 그립을 포함하며, 상기 가이드 롤러에 전극이 도달하면 전극 표면에 대한 제 1 그립 또는 제 2 그립의 밀착이 해제될 수 있다.
여기서 도달이란, 전극이 가이드 롤러에 의해 가압되면서 텐션이 형성된 상태를 의미하며, 이 상태에서는 가이드 롤러에 의해 전극의 위치와 방향이 고정되므로 그립퍼의 고정 상태는 해제되는 것이다.
다만 이러한 구조에서 본 발명의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 상기 제 1 그립과 가이드 롤러의 거리가 일정 거리로 이격된 경우에는, 전극이 그립퍼와 가이드 롤러 사이 공간을 통과할 때, 미세하게 틀어질 수 있음을 확인하였으며, 이에 본 발명에서는 상기 그립퍼에 고정된 상태에서의 전극의 방향이 가이드 롤러에서 유지될 수 있도록, 상기 제 1 그립이 가이드 롤러에 접촉되어 있을 수 있으며, 경우에 따라서는 제 1 그립에 대한 가이드 롤러의 마모가 방지되도록, 1 mm 이내의 미소 거리로 이격된 상태에서 가이드 롤러에 인접해 있을 수 있다.
한편, 상기 제조 장치는, 공급부, 접합부 및 가이드 롤러에서 선택되는 적어도 하나의 하단에서 전극을 지지하는 형태로 배치되어 있는 복수의 지지 롤러들을 추가로 포함하며, 상기 지지 롤러들은 가이드 롤러와 반대 방향으로 회전하는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 지지 롤러들은 가이드 롤러와 서로 대면하는 형태로 배치될 수 있으며, 상기 구조는, 가이드 롤러와 지지 롤러 사이의 공간을 통해 전극이 이동될 수 있다.
본 발명에 따른 제조 장치에서 상기 공급부는,
시트 형태의 제 1 전극 원단이 권취되어 있고, 제 1 전극 원단을 접합부 방향으로 권출시키는 제 1 공급부;
시트 형태의 제 2 전극 원단이 권취되어 있고, 제 2 전극 원단을 접합부 방향으로 권출시키는 제 2 공급부;
시트 형태의 제 1 분리막 원단이 권취되어 있고, 제 1 및 제 2 공급부들 사이에서 제 1 분리막 원단을 접합부 방향으로 권출시키는 제 3 공급부; 및
시트 형태의 제 2 분리막 원단이 권취되어 있고, 제 2 공급부 하단에서 제 2 분리막 원단을 접합부 방향으로 권출시키는 제 4 공급부;를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제조 장치는, 상기 제 1 공급부와 가이드 부 사이에서, 제 1 전극 원단을 소정의 크기로 커팅하여 제 1 전극을 제조하는 제 1 커팅부; 및
상기 제 2 공급부와 가이드 부 사이에서, 제 2 전극 원단을 소정의 크기로 커팅하여 제 2 전극을 제조하는 제 2 커팅부;
를 포함하고,
상기 접합부는, 제 1 전극, 제 1 분리막 원단, 제 2 전극 및 제 2 분리막 원단 순으로 상하 배열된 상태로 투입되는 전극과 분리막 원단을 상호 접합시킬 수 있다.
이러한 구조에 있어서, 가이드 부의 그립퍼는 커팅된 제 1 전극 및/또는 제 2 전극을 고정시킬 수 있으며, 가이드 롤러는 커팅된 제 1 전극 및/또는 제 2 전극을 접합부로 이송시킬 수 있다.
또한, 상기 접합부는 제 1 전극, 제 1 분리막 원단, 제 2 전극 및 제 2 분리막 원단이 상하 접합된 상태에서, 제 1 분리막 원단과 제 2 분리막 원단을 단위셀 단위로 커팅하는 제 3 커팅부를 포함할 수 있다.
상기 제조 장치는 또한, 접합부에서 제조된 단위셀을 순차적으로 수령하고, 지면에 대해 상향으로 단위셀들을 적층시켜 전극조립체 구조를 형성하는 적층부; 및
상기 적층부에서 전극조립체를 수령하고, 전극조립체의 무지 부위에 절연 처리를 수행하는 가공부;를 더 포함할 수 있다.
상기 절연 처리는 절연 테이프를 무지 부위에 부가하는 형태 또는 절연액을 무지 부위에 도포하고 고화 내지 경화시키는 형태일 수 있다.
상기 절연을 위한 소재는 전극 반응에 비활성이면서도 전기적 절연이 가능한 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 불소 수지, 에나멜 수지 등의 절연 물질일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 제조 장치로 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체 및, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 수납된 구조의 전지셀을 제공한다.
상기 전극조립체는, 양극, 분리막, 음극 및 분리막 순서로 적층 및 접합되어 있는 둘 이상의 단위셀들이 지면을 기준으로 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
본 발명에서 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 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. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 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 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 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 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 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 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 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 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
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 중합체 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, 비수 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 장치는, 접합부로 전극이 투입되기 이전 단계에서 그립퍼에 의해 전극이 정 위치 고정됨과 동시에, 이와 같이 정 위치로 정렬된 전극을 가이드 롤러가 접합부로 이송시킬 수 있으므로, 전극의 어긋남이나 단차 등의 소망하지 않는 불량을 방지할 수 있는 구조로 이루어져 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조 장치의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 가이드 부의 모식도이다;
도 3 내지 도 4는 가이드 부를 통한 전극의 이송 과정들이 도시된 모식도들이다.
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 발명의 하나의 실시예에 따른 제조 장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 제조 장치(100)는, 지지 롤러, 공급부(111, 112, 113, 114), 접합부(130), 가이드 부(200), 커팅부(121, 122, 123), 적층부(150), 및 가공부(160)를 포함한다.
지지 롤러(140)는 제조 장치(100)의 전반에서 전극(21, 22), 분리막(11, 12) 및 단위셀(10)의 하단을 지지하고, 이를 일 방향으로 이송할 수 있도록 회전하는 롤러이다.
이러한 제조 장치(100)에서, 접합부(130)는 전극들(21, 22)과 분리막들(11, 12)을 열과 압력으로 접합시킴으로써, 전극들(21, 22)과 분리막들(11, 12)의 적층 구조를 완성하는 장치로서, 실질적으로 전극, 분리막, 전극, 분리막 구조의 단위셀(10)을 제조하는 장치이다.
공급부는 접합부(130)로 전극들과 분리막을 공급하는 장치로서, 제 1 공급부(111), 제 2 공급부(112), 제 3 공급부(113), 및 제 4 공급부(114)를 포함한다.
먼저, 제 1 공급부(111)는 시트 형태의 제 1 전극 원단(1)이 권취되어 있고, 제 1 전극 원단(1)을 접합부(130) 방향으로 권출시키는 장치이고, 제 2 공급부(112)는 시트 형태의 제 2 전극 원단(2)이 권취되어 있고, 제 2 전극 원단(2)을 접합부(130) 방향으로 권출시키는 장치이다.
또한, 제 3 공급부(113)는 시트 형태의 제 1 분리막 원단(11)이 권취되어 있고, 제 1 및 제 2 공급부들(111, 112) 사이에서 제 1 분리막 원단(11)을 접합부(130) 방향으로 권출시키는 장치이며, 제 4 공급부(114)는 시트 형태의 제 2 분리막 원단(12)이 권취되어 있고, 제 2 공급부(112) 하단에서 제 2 분리막 원단(12)을 접합부(130) 방향으로 권출시키는 장치이다.
이처럼 시트 형태의 전극 원단들(1, 2)과 분리막 원단들(11, 12)은 상기한 커팅부(121, 122, 123)에서 소망하는 크기로 절단될 수 있으며, 이러한 커팅부(121, 122, 123)는 전극과 분리막에 대해 독립적인 절단이 가능하도록 제 1 커팅부(121), 제 2 커팅부(122) 및 제 3 커팅부(123)로 세분화되어 있다.
먼저, 제 1 커팅부(121)는 제 1 공급부(111)와 가이드 부(200) 사이에 배치되어 있으며, 제 1 전극 원단(1)을 소정의 크기로 커팅하여 제 1 전극(21)을 제조한다.
제 2 커팅부(122)는 제 2 공급부(112)와 가이드 부(200) 사이에서, 제 2 전극 원단(2)을 소정의 크기로 커팅하여 제 2 전극(22)을 제조한다.
이 상태에서, 접합부(130)는, 커팅된 제 1 전극(21), 제 1 분리막 원단(11), 커팅된 제 2 전극(22) 및 제 2 분리막 원단(12) 순으로 상하 배열된 상태로 투입되는 전극과 분리막 원단을 상호 접합시킨다.
이 후, 제 3 커팅부(123)는 접합된 전극들과 분리막 원단들에서, 제 1 분리막 원단(11)과 제 2 분리막 원단(12)을 소정의 크기로 절단하도록 구성되어 있다. 제 3 커팅부(123)는 제 1 분리막 원단(11)과 제 2 분리막 원단(12)을 동시에 절단할 수 있으며, 경우에 따라서는 이들 분리막 원단을 독립적으로 절단할 수도 있다.
이와 같이 제 3 커팅부(123)에서 제 1 분리막 원단(11)과 제 2 분리막 원단(12)이 커팅되면, 하나의 단위셀(10)이 제조된다.
적층부(150)에서는 제조된 단위셀(10)을 순차적으로 수령하고, 지면에 대해 상향으로 단위셀(10)들을 적층시켜 전극조립체 구조를 형성하며, 가공부(160)는 적층부(150)에서 전극조립체를 수령하고, 전극조립체에 절연 처리를 수행함으로써, 출하 가능한 전극조립체를 완성한다.
한편, 가이드 부(200)는 접합부(130)와 공급부 사이에 배치되어 있고, 공급부로부터 접합부(130)로 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)을 유도하는 장치로서, 제 1 커팅부(121)와 제 2 커팅부(122)에서 커팅된 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 각각을 접합부(130)로 유도하도록 제 1 공급부(111)와 제 2 공급부(112) 각각에 인접하고 있는 한 쌍의 부재이다.
이러한 가이드 부(200)의 구체적인 구조가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 가이드 부(200)는 전극(21)의 상면과 하면에 밀착된 상태로 전극(21)을 고정시키는 그립퍼(220)와, 그립퍼(220)와 인접한 위치에서 접합부(130) 방향으로 축 회전하면서 전극을 그립퍼(220)로부터 접합부(130)로 이동시키는 가이드 롤러(210)를 포함한다. 또한, 가이드 롤러(210)와 서로 대면하는 형태로 지지 롤러가 배치되어 있으며, 이러한 구조에서는 가이드 롤러(210)와 지지 롤러 사이의 공간을 통해 전극(21)이 이동된다. 다만 도면에 도시하지는 않았지만, 경우에 따라서는 지지 롤러 없이, 가이드 롤러(210)만으로 전극을 접합부(130)로 이송시키는 구조 또한 가능하다.
가이드 롤러(210)는 접합부(130) 방향으로 회전하는 회전 축(212)과 회전 축(212)에 일체로 형성되어 있고, 회전 축(212)의 직경 대비 대략 130%의 직경을 가지는 복수의 밀착롤들(214)을 포함한다.
상세한 구조에 있어서, 밀착롤들(214)의 회전 중심과 회전 축(212)의 회전 중심이 상호 일치하는 형태로, 회전 축(212)에 밀착롤들(214)이 형성되어 있으며, 밀착롤들(214)이 소정의 거리로 이격된 상태로 회전 축(212) 상에 배열된 구조로 이루어져 있다.
따라서, 가이드 롤러(210)는 밀착롤들(214)이 상호 이격된 위치에 회전 축(212)과 직경 차이에 따른 복수의 만입부들(216)이 형성되어 있다.
이러한 구조는, 가이드 롤러(210)가 전극을 이동시킬 때, 만입부들(216)을 제외한 밀착롤들(214)에만 전극 표면이 밀착되면서 전극(21) 표면적 전체에 대한 평균 가압력이 상대적으로 낮게 형성되는 반면에, 만입부들(216)을 제외한 밀착롤들(214)에만 압력이 집중되면서, 회전 축(212)의 회전 시, 전극(21)이 가이드 롤러(210)로부터 미끄러지는 현상을 억제시킬 수 있다.
그립퍼(220)는 전극의 상면에 밀착되는 제 1 그립(220a)과 하면에 밀착되는 제 2 그립(220b)을 포함하며, 이들 사이에서 전극(21)이 정 위치를 유지한 상태로 고정된다.
여기서, 정 위치란, 일반적으로, 전극의 일측 단부에는 전극 탭이 형성을 위한 탭 예정부 또는 전극 탭이 형성되어 있으며, 이들 탭의 방향이 이송 방향에 대해 수직을 이루는 상태를 의미한다.
이 상태에서 가이드 롤러(210)에 전극이 도달하면 제 2 그립(220b)퍼(220)가 하강하면서 전극 표면에 대한 제 2 그립(220b)의 밀착이 해제된다. 또한, 그립퍼(220)는 전극이 그립퍼(220)와 가이드 롤러(210) 사이 공간을 통과할 때, 미세하게 틀어지는 현상이 방지되도록, 그립퍼(220)가 가이드 롤러(210)에 최대한 근접하게 위치되어 있으며, 상세하게는 제 1 그립(220a)이 가이드 롤러(210)에 접촉되어 있다.
경우에 따라서는 제 1 그립(220a)에 대한 가이드 롤러(210)의 마모가 방지되도록, 제 1 그립(220a)이 1 mm 이내의 거리로 가이드 롤러(210)와 이격되어 배치될 수도 있다.
이와 같이 그립퍼(220)와 가이드 롤이 근접하게 위치함으로써, 그립퍼(220)에 고정된 상태에서의 전극(21)의 방향이 가이드 롤러(210)에서 유지되기 용이하며, 구체적으로, 일단 전극이 가이드 롤러(210)에 도달하면, 전극(21)은 가이드 롤러(210)에 의해 가압되면서 텐션이 형성되며, 이 상태에서는 가이드 롤러(210)에 의해 전극의 위치와 방향이 고정되므로 그립퍼(220)의 고정 상태가 해제되어 전극(21)의 원활한 이동이 가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 장치(100)는, 접합부(130)로 전극이 투입되기 이전 단계에서 그립퍼(220)에 의해 전극이 정 위치 고정됨과 동시에, 이와 같이 정 위치로 정렬된 전극을 가이드 롤러(210)가 접합부(130)로 이송시킬 수 있으므로, 전극의 어긋남이나 단차 등의 소망하지 않는 불량을 방지할 수 있는 구조로 이루어져 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 이차전지용 전극조립체를 제조하는 장치로서,
    전극들과 분리막을 열과 압력으로 접합시켜 단위셀들을 제조하는 접합부;
    상기 접합부로 전극들과 분리막을 공급하는 공급부; 및
    상기 접합부와 공급부 사이에 배치되어 있고, 공급부로부터 접합부로 전극을 유도하는 가이드 부;
    를 포함하고 있고,
    상기 가이드 부는, 전극의 상면과 하면에 밀착된 상태로 전극을 고정시키는 그립퍼와, 상기 그립퍼와 인접한 위치에서 접합부 방향으로 축 회전하면서 전극을 그립퍼로부터 접합부로 이동시키는 가이드 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼는, 전극의 상면에 밀착되는 제 1 그립과 하면에 밀착되는 제 2 그립을 포함하며, 상기 가이드 롤러에 전극이 도달하면 전극 표면에 대한 제 1 그립 또는 제 2 그립의 밀착이 해제되는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 그립퍼에 고정된 상태에서의 전극의 방향이 가이드 롤러에서 유지될 수 있도록, 상기 제 1 그립은 가이드 롤러에 접촉되어 있거나 또는 1 mm 이내의 거리로 가이드 롤러에 인접해 있는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가이드 롤러는,
    접합부 방향으로 회전하는 회전 축; 및
    상기 회전 축에 일체로 형성되어 있고, 회전 축 대비 상대적으로 큰 회전 반경을 가지도록, 회전 축의 직경에 대해 110% 내지 150%의 직경을 가지는 복수의 밀착롤들;
    을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 가이드 롤러는 밀착롤들이 소정의 거리로 이격된 상태로 회전 축 상에 배열된 구조로 이루어져 있고, 상기 밀착롤들이 상호 이격된 위치에는 회전 축과 직경 차이에 따른 만입부들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 가이드 롤러가 전극을 이동시킬 때, 상기 만입부들을 제외한 밀착롤들에만 전극 표면이 밀착되면서 전극 표면적 전체에 대한 평균 가압력이 상대적으로 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 가이드 롤러는, 만입부들을 제외한 밀착롤들에만 압력이 집중되면서, 회전 축의 회전 시, 전극이 가이드 롤러로부터 미끄러지는 현상을 억제시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 밀착롤들이 상호 이격된 거리는 가이드 롤러를 통과하는 전극의 폭 대비 1% 내지 10%의 거리인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 밀착롤들의 회전 중심과 회전 축의 회전 중심이 상호 일치하는 형태로, 회전 축에 밀착롤들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제조 장치는, 공급부, 접합부 및 가이드 롤러에서 선택되는 적어도 하나의 하단에서 전극을 지지하는 형태로 배치되어 있는 복수의 지지 롤러들을 추가로 포함하며, 상기 지지 롤러들은 가이드 롤러와 반대 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 공급부는,
    시트 형태의 제 1 전극 원단이 권취되어 있고, 제 1 전극 원단을 접합부 방향으로 권출시키는 제 1 공급부;
    시트 형태의 제 2 전극 원단이 권취되어 있고, 제 2 전극 원단을 접합부 방향으로 권출시키는 제 2 공급부;
    시트 형태의 제 1 분리막 원단이 권취되어 있고, 제 1 및 제 2 공급부들 사이에서 제 1 분리막 원단을 접합부 방향으로 권출시키는 제 3 공급부; 및
    시트 형태의 제 2 분리막 원단이 권취되어 있고, 제 2 공급부 하단에서 제 2 분리막 원단을 접합부 방향으로 권출시키는 제 4 공급부;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제조 장치는,
    상기 제 1 공급부와 가이드 부 사이에서, 제 1 전극 원단을 소정의 크기로 커팅하여 제 1 전극을 제조하는 제 1 커팅부; 및
    상기 제 2 공급부와 가이드 부 사이에서, 제 2 전극 원단을 소정의 크기로 커팅하여 제 2 전극을 제조하는 제 2 커팅부;
    를 포함하고,
    상기 접합부는, 제 1 전극, 제 1 분리막 원단, 제 2 전극 및 제 2 분리막 원단 순으로 상하 배열된 상태로 투입되는 전극과 분리막 원단을 상호 접합시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 가이드 부의 그립퍼가 커팅된 제 1 전극 및/또는 제 2 전극을 고정시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 접합부는 제 1 전극, 제 1 분리막 원단, 제 2 전극 및 제 2 분리막 원단이 상하 접합된 상태에서, 제 1 분리막 원단과 제 2 분리막 원단을 단위셀 단위로 커팅하는 제 3 커팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제조 장치는,
    접합부에서 제조된 단위셀을 순차적으로 수령하고, 지면에 대해 상향으로 단위셀들을 적층시켜 전극조립체 구조를 형성하는 적층부; 및
    상기 적층부에서 전극조립체를 수령하고, 전극조립체의 무지 부위에 절연 처리를 수행하는 가공부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 절연 처리는 절연 테이프를 무지 부위에 부가하는 형태 또는 절연액을 무지 부위에 도포하고 고화 내지 경화시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 제조 장치로 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 양극, 분리막, 음극 및 분리막 순서로 적층 및 접합되어 있는 둘 이상의 단위셀들이 지면을 기준으로 순차적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  19. 제 18 항에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 수납된 구조의 전지셀.
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