KR20170117883A - 유도 가열 방식의 실링 툴을 포함하고 있는 전지셀 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착된 상태에서, 열융착에 의해 밀봉된 실링부를 포함하는 구조의 전지셀을 제조하는 장치로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주변에 형성되는 실링부의 일측 외면인 제 1 면을 지지 및 가압하는 제 1 실링 툴; 상기 제 1 면의 반대 면인 실링부의 타측 외면인 제 2 면을 지지 및 가압하는 제 2 실링 툴; 및 상기 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴에 각각 대면한 상태로 위치해 있으며, 상기 실링부를 형성하는 과정에서 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴을 가열하는 유도 가열 부재;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치를 제공한다.
Description
본 발명은 유도 가열 방식의 실링 툴을 포함하고 있는 전지셀 제조장치에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
특히, 파우치형 이차전지는 외곽 포장재로 연재질의 다층 필름을 사용하는 제품으로 금속 케이스를 사용한 원통형 이차전지 또는 각형 이차전지가 가지지 못하는 여러 장점을 가지고 있다.
이러한 장점의 대표적인 예로는, 저렴한 제조비용, 가벼운 중량, 및 과도한 내압 축적 이전에 개봉됨으로써 안정성을 확보하고 우수한 방열성능을 가지는 점 등을 들 수 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 종래의 파우치형 전지셀의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 정면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지셀(100)은, 전극조립체(110), 전극조립체(110)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(131, 132), 전극 탭들(131, 132)에 용접되어 있는 전극리드(121, 122), 및 전극조립체(110)를 수용하는 전지케이스(140)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(110)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있다. 전극 탭들(131, 132)은 전극조립체(110)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(121, 122)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(131, 132)과 용접 등의 방법에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(110)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(121, 122)의 상하면 일부에는 전지케이스(110)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(151, 152)이 부착되어 있다.
한편, 도 2에는 도 1의 파우치형 전지셀을 제조하기 위한 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀 제조장치(200)는 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주변에 형성되는 실링부의 일측 외면인 제 1 면을 지지 및 가압하는 제 1 실링 툴(210) 및 상기 제 1 면의 반대 면인 실링부의 타측 외면인 제 2 면을 지지 및 가압하는 제 2 실링 툴(220)을 포함하고 있다.
제 2 실링 툴(220)에 대향하는 제 1 실링 툴(210)의 상면 및 제 1 실링 툴(210)에 대향하는 제 2 실링 툴(220)의 하면에는, 실링부의 형성 과정에서 제 1 실링 툴(210)과 제 2 실링 툴(220)을 가열하기 위한 제 1 히팅 블록(heating block; 230) 및 제 2 히팅 블록(240)이 각각 위치해 있다.
제 1 히팅 블록(230)의 상면과 제 2 히팅 블록(240)의 하면에는 열선(250)이 평면상으로 지그재그 구조로서, 제 1 히팅 블록(230)의 상면과 제 2 히팅 블록(240)의 하면에 전체적으로 위치해 있다.
이에 따라, 열선(250)이 저항에 의해 가열되는 경우, 제 1 히팅 블록(230)과 제 2 히팅 블록(240)이 국보적인 온도 차이 없이 가열되며, 가열된 제 1 히팅 블록(230)과 제 2 히팅 블록(240)은 각각 제 1 실링 툴(210)과 제 2 실링 툴(220)을 가열한다.
가열된 제 1 실링 툴(210)과 제 2 실링 툴(220)은 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주변의 일측 외면인 제 1 면 및 이에 대향하는 타면인 제 2 외면을 고온 가압함으로써, 전지케이스의 외주변을 밀봉하여 실링부를 형성한다.
그러나, 이러한 전지셀 제조장치(200)는 열선(250)이 히팅 블록들(230, 240)을 가열하고, 가열된 히팅 블록들(230, 240)이 실링 툴들(210, 220)을 가열하게 되는 구조로서, 실링 툴들(210, 220)에 대한 가열 과정이 복수의 과정을 거치게 되어, 가열 효율이 높지 않으며, 이에 따라, 열선(250)이 필요 이상으로 가열되므로, 에너지 소모가 심하고, 이는 전지셀 제조장치(200)를 운용하는데 있어서, 안전성 역시 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
또한, 실링 툴들(210, 220)을 연속적으로 사용하는 경우, 실링 툴들(210, 220)의 지속적인 가열에 의한 전지케이스의 손상을 방지하기 위한 열선(250)의 가열 중단 등의 요인에 의해, 상기 실링 툴들(210, 220)의 온도가 하강하는 현상이 발생한다.
이때, 또 다시 실링 툴들(210, 220)을 가열해야 하는 반면에, 상기 가열은 열선(250)으로부터 히팅 블록들(230, 240)을 거쳐, 실링 툴들(210, 220)로 이어지는 복수의 과정을 거치게 되므로, 상기 실링 툴들(210, 220)의 신속한 재가열이 용이하지 않으며, 이로 인해, 전지셀에 형성된 실링부에 불량이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 유도 가열 부재가 실링 툴에 직접 접촉된 상태에서, 상기 실링 툴을 직접 가열하도록 구성함으로써, 열선의 저항에 의해 복수의 가열 과정을 거치는 종래의 전지셀 제조장치에 비해, 실링 툴의 가열 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라 상기 실링 툴에 대한 가열 효율을 향상시킬 수 있으며, 실링 툴의 지나친 가열을 용이하게 방지할 수 있어, 전지셀 제조장치의 운용간 안전성을 향상시킬 수 있는 동시에, 실링 툴의 온도가 하강하는 경우, 유도 가열 부재에 의한 상기 실링 툴의 신속한 재가열이 용이하므로, 실링 툴의 연속 사용 시, 가열 지연에 따른 전지셀의 실링 불량을 없애거나, 최소화시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀 제조장치는,
양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착된 상태에서, 열융착에 의해 밀봉된 실링부를 포함하는 구조의 전지셀을 제조하는 장치로서,
전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주변에 형성되는 실링부의 일측 외면인 제 1 면을 지지 및 가압하는 제 1 실링 툴;
상기 제 1 면의 반대 면인 실링부의 타측 외면인 제 2 면을 지지 및 가압하는 제 2 실링 툴; 및
상기 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴에 각각 대면한 상태로 위치해 있으며, 상기 실링부를 형성하는 과정에서 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴을 가열하는 유도 가열 부재;
를 포함하고 있는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 유도 가열 부재에 의한 실링 툴의 직접적인 가열이 가능하므로, 열선의 저항에 의해 복수의 가열 과정을 거치는 종래의 전지셀 제조장치에 비해, 실링 툴의 가열 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라 상기 실링 툴에 대한 가열 효율을 향상시킬 수 있으며, 실링 툴의 지나친 가열을 방지할 수 있어, 전지셀 제조장치의 운용간 안전성을 향상시킬 수 있는 동시에, 실링 툴의 온도가 하강하는 경우, 유도 가열 부재에 의한 상기 실링 툴의 신속한 재가열이 용이하므로, 실링 툴의 연속 사용 시, 가열 지연에 따른 전지셀의 실링 불량을 없애거나, 최소화시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 구조일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트(sealant)층의 적층 구조로 이루어진 구조일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀 제조장치는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스를 포함하는 전지셀을 제조하는 경우, 소망하는 효과를 극대화할 수 있으며, 상세하게는, 기 전지케이스의 외주변을 가압하는 실링 툴이 가열됨으로써, 전지케이스의 내부 실린트 층이 용이하게 용융 접착됨으로써, 이에 따라 제조된 전지셀이 소망하는 밀봉력을 발휘할 수 있다.
한편, 상기 유도 가열 부재는, 고주파 유도에 의해 가열되어, 대면해 있는 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴을 직접 가열하는, 한 쌍의 유도 가열 코일일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 유도 가열이란 고주파 유도를 이용하여 금속 물체를 가열시키는 방법으로서, 유도 가열 코일에 고주파 전류가 인가됨으로써, 실링 툴에 와전류(eddy currents)가 발생하고, 상기 실링 툴의 저항에 의해 발생된 줄 열(joule heating)이 실링 툴을 가열하는 방식으로 이루어진다.
즉, 상기 유도 가열 코일로 이루어진 유도 가열 부재는 고주파 유도에 의해 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴을 직접 가열함으로써, 보다 신속한 가열이 가능하다.
이때, 상기 한 쌍의 유도 가열 코일은 전지케이스의 실링부에 대향하는 방향에서, 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴의 중앙 부위에 각각 위치해 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 유도 가열 코일에 의한 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴의 가열 과정에서, 국부적인 온도 차이의 발생을 없애거나 최소화할 수 있다.
그러나, 상기 유도 가열 코일의 위치는, 상기 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴의 가열 과정에서, 국부적인 온도 차이의 발생을 최소화할 수 있다면, 그 위치가 이에 한정되는 것은 아니며, 상세하게는, 상기 한 쌍의 유도 가열 코일은 전지케이스의 실링부에 인접한 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴의 측면을 각각 감싸는 구조로 위치해 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴의 측면은 전지케이스 실링부의 외면인 제 1 면과 제 2 면에 각각 대면하는 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴의 면들에 대해, 수직으로 인접하여 위치한 면들을 의미한다.
즉, 상기 한 쌍의 유도 가열 코일은 전지케이스의 실링부에 대한 지지 및 가압 과정을 방해하지 않는 위치에서, 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴의 측면을 각각 감싸는 구조로 위치해 있어, 상기 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴의 모든 부위를 보다 효과적으로 가열할 수 있다.
또한, 상기 유도 가열 부재에 인가되는 고주파의 주파수는 1kHz 내지 80kHz일 수 있다.
만일, 상기 유도 가열 부재에 인가되는 고주파의 주파수가 1kHz 미만일 경우에는, 상기 고주파의 주파수가 지나치게 낮아, 실링 툴을 소망하는 온도 범위로 용이하게 가열할 수 없거나, 상기 실링 툴의 가열에 지나치게 많은 시간이 소요됨으로써, 전체적인 공정을 지연시킬 수 있다.
이와 반대로, 상기 유도 가열 부재에 인가되는 고주파의 주파수가 80kHz를 초과할 경우에는, 상기 고주파의 주파수가 지나치게 높아, 실링 툴의 가열 온도 범위를 조절하기 용이하지 않고, 상기 실링 툴의 과도한 가열에 의해 오히려 전지케이스를 손상시킬 수 있는 문제점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유도 가열 부재와 유도 가열 부재에 의해 가열된 실링 툴의 온도 차이는 섭씨 10도 이내일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 유도 가열 부재는 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴과 각각 대면한 상태로 위치해 있으므로, 상기 실링 툴의 가열에 의해 유도 가열 부재 역시, 동시에 가열될 수 있으며, 이러한 경우에, 상기 유도 가열 부재와 유도 가열 부재에 의해 가열된 실링 툴의 온도 차이는 섭씨 10도 이내일 수 있다.
만일, 상기 유도 가열 부재와 유도 가열 부재에 의해 가열된 실링 툴의 온도 차이가 섭씨 10도를 초과할 경우에는, 상기 실링 툴이 지나치게 높은 온도로 가열된 경우로서, 실링부가 형성되는 전지케이스의 외주변 또는 실링 툴에 대면해 있는 유도 가열 부재에 손상을 일으키는 요인으로 작용할 수 있다.
또한, 상기 유도 가열 부재에 의해 가열된 실링 툴의 온도는 섭씨 150도 내지 200도일 수 있다.
만일, 상기 유도 가열 부재에 의해 가열된 실링 툴의 온도가 섭씨 150도 미만일 경우에는, 상기 실링 툴의 온도가 지나치게 낮아, 전지케이스의 내부 실란트 층을 접착시킬 수 있을 정도로 용융시킬 수 없으므로, 전지셀에 형성된 실링부에 불량이 발생할 수 있다.
이와 반대로, 유도 가열 부재에 의해 가열된 실링 툴의 온도가 섭씨 200도를 초과할 경우에는, 상기 실링 툴의 온도가 지나치게 높아, 실링부가 형성되는 전지케이스의 외주변 또는 실링 툴에 대면해 있는 유도 가열 부재에 손상을 일으킬 수 있다.
한편, 상기 전지셀 제조장치는,
제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴의 온도를 감지하는 온도 감지부;
유도 가열 부재에 고주파를 인가하는 고주파 유도부; 및
상기 온도 감지부의 신호에 대응하여, 고주파 유도부의 작동 상태를 제어하는 제어부;
를 더 포함하는 구조일 수 있다.
이때, 상기 고주파 유도부는 온도 감지부에서 감지한 온도가 제 1 온도 값 미만일 경우에, 유도 가열 부재에 고주파를 인가함으로써, 상기 유도 가열 부재를 가열하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 고주파 유도부는 온도 감지부에서 감지한 온도가 제 2 온도 값을 초과할 경우에, 유도 가열 부재에 대한 고주파 인가를 정지하는 구조일 수 있다.
다시 말해, 상기 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴은 온도 감지부에서의 온도 감지 및 이에 대응하는 고주파 유도부의 제어에 따라, 사전에 설정되어 있는 제 1 온도 값과 제 2 온도 값 사이의 범위로 가열 상태가 자동적으로 제어 및 유지되는 구조로서, 이에 따라, 상기 전지셀의 제조 과정에 소요되는 인력 및 비용을 효과적으로 절약할 수 있으며, 상기 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴의 가열 온도가 소망하는 범위를 벗어남으로써 발생할 수 있는 제품의 불량을 용이하게 방지할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 온도 값은 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴이 전지케이스의 외주변을 지지 및 가압함으로써, 상기 전지케이스의 내부 실란트 층을 효과적으로 용융 및 접착시켜, 실링부를 형성하기 위한 최소 온도로서, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 섭씨 150도 내외의 값일 수 있다.
이와 마찬가지로, 상기 제 2 온도 값은 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴이 전지케이스의 외주변을 지지 및 가압하는 과정에서, 상기 전지케이스를 손상시키지 않으면서, 실링부를 형성하기 위한 최대 온도로서, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 섭씨 200도 내외일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀 제조장치에 의해 제조된 전지셀을 제공하는 바, 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조장치는, 유도 가열 부재가 실링 툴에 직접 접촉된 상태에서, 상기 실링 툴을 직접 가열하도록 구성됨으로써, 열선의 저항에 의해 복수의 가열 과정을 거치는 종래의 전지셀 제조장치에 비해, 실링 툴의 가열 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라 상기 실링 툴에 대한 가열 효율을 향상시킬 수 있으며, 실링 툴의 지나친 가열을 용이하게 방지할 수 있어, 전지셀 제조장치의 운용간 안전성을 향상시킬 수 있는 동시에, 실링 툴의 온도가 하강하는 경우, 유도 가열 부재에 의한 상기 실링 툴의 신속한 재가열이 용이하므로, 실링 툴의 연속 사용 시, 가열 지연에 따른 전지셀의 실링 불량을 없애거나, 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 파우치형 전지셀의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 정면 투시도이다;
도 2는 도 1의 파우치형 전지셀을 제조하기 위한 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4 및 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1의 파우치형 전지셀을 제조하기 위한 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4 및 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예 및 상기 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지셀 제조장치(300)는 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주변에 형성되는 실링부의 일측 외면인 제 1 면을 지지 및 가압하는 제 1 실링 툴(310) 및 상기 제 1 면의 반대 면인 실링부의 타측 외면인 제 2 면을 지지 및 가압하는 제 2 실링 툴(320)을 포함하고 있다.
제 2 실링 툴(320)에 대향하는 제 1 실링 툴(310)의 상면 및 제 1 실링 툴(310)에 대향하는 제 2 실링 툴(320)의 하면에는, 실링부의 형성 과정에서 제 1 실링 툴(310)과 제 2 실링 툴(320)을 가열하기 위한 유도 가열 코일(330)이 위치해 있다.
유도 가열 코일(330)에 의해 가열된 제 1 실링 툴(310)과 제 2 실링 툴(320)은 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주변의 일측 외면인 제 1 면 및 이에 대향하는 타면인 제 2 외면을 고온 가압함으로써, 전지케이스의 외주변을 밀봉하여 실링부를 형성한다.
유도 가열 코일(350)은 평면상으로 지그재그 형상으로 이루어진 연속적인 선형 구조로서, 제 1 실링 툴(310)의 상면과 제 2 실링 툴(320)의 하면을 전체적으로 덮는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 유도 가열 코일(330)에 고주파가 인가되는 경우, 제 1 실링 툴(310)과 제 2 실링 툴(320)이 국보적인 온도 차이 없이 가열될 수 있다.
또한, 유도 가열 코일(330)은 고주파 유도에 의해, 제 1 실링 툴(310)과 제 2 실링 툴(320)을 직접 가열함으로써, 종래의 전지셀 제조장치에 비해, 에너지 손실을 최소화할 수 있고, 제 1 실링 툴(310)과 제 2 실링 툴(320)의 연속적인 사용 시 온도가 하강하는 경우, 보다 신속하고 용이하게 재가열 할 수 있어, 제 1 실링 툴(310)과 제 2 실링 툴(320)의 온도 저하로 인한 실링부의 불량을 없애거나, 최소화시킬 수 있다.
도 4 및 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 제조장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
우선, 도 4를 참조하면, 전지셀 제조장치(400)는 유도 가열 코일(430)이 평면상으로 제 1 실링 툴(410)의 상면과 제 2 실링 툴(420)의 하면의 평면상 형상에 대응하는 나선형 형상으로 이루어진 연속적인 선형 구조로 이루어져 있다.
상기 유도 가열 코일(430)을 제외한 나머지 구조는 도 3의 전지셀 제조장치와 동일하다.
도 5를 참조하면, 전지셀 제조장치(500)는 유도 가열 코일(531, 532)은 각각 연속적인 선형 구조로서, 제 1 실링 툴(510)과 제 2 실링 툴(520)의 측면을 감싸는 구조로 이루어져 있다.
상기 유도 가열 코일(531, 532)을 제외한 나머지 구조는 도 3의 전지셀 제조장치와 동일하다.
<실시예 1>
한 쌍의 유도 가열 코일이 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴의 측면을 각각 연속적으로 감싸는 구조로 이루어진 전지셀 제조장치를 제작하였다.
<비교예 1>
저항에 의해 가열되는 열선이 위치한 한 쌍의 히팅 블록이 제 1 실링 툴의 상면과 제 2 실링 툴의 하면에 각각 대면해있는 구조로 이루어진 전지셀 제조장치를 제작하였다.
<실험예 1>
실시예 1 및 비교예 1의 전지셀 제조장치를 10 kW/h의 전원에 연결하고, 실시예 1 및 비교예 1에 따른 전지셀 제조장치의 각 제 1 실링 툴에 연결되어 있는 온도 감지부를 통해, 상기 제 1 실링 툴의 온도를 0.2초 단위로 10회 측정한 후, 그 값을 표 1에 각각 나타내었다. 상기 실험예는 파우치형 전지셀에 대하여 실링을 1회 실시한 이후의 온도의 변화를 검증하는 것으로서, T1은 실링 이후 0.2초가 경과한 시점을 의미한다.
<표 1>
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라, 유도 가열 방식으로 실링 툴을 가열하는 전지셀 제조장치의 제 1 실링 툴은 종래의 저항 열선을 사용하여 실링 툴을 가열하는 비교예 1에 비해, 동일한 전원으로 보다 신속하게 온도가 증가되었음을 확인할 수 있다.
이는 상기 실시예 1의 전지셀 제조장치는 유도 가열 코일이 실링 툴을 고주파 유도에 의해 직접 가열함으로써, 저항에 의한 가열 방식을 사용하는 비교예 1에 비해 열이 전달되는 과정이 상대적으로 적으며, 이에 따른 에너지의 손실 역시 상대적으로 적기 때문이다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에 따른 전지셀 제조장치를 전원에 연결하여, 유도 가열 코일에 1kHz의 주파수를 갖는 고주파를 인가하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에 따른 전지셀 제조장치를 전원에 연결하여, 유도 가열 코일에 50kHz의 주파수를 갖는 고주파를 인가하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1에 따른 전지셀 제조장치를 전원에 연결하여, 유도 가열 코일에 80kHz의 주파수를 갖는 고주파를 인가하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1에 따른 전지셀 제조장치를 전원에 연결하여, 유도 가열 코일에 0.5kHz의 주파수를 갖는 고주파를 인가하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1에 따른 전지셀 제조장치를 전원에 연결하여, 유도 가열 코일에 90kHz의 주파수를 갖는 고주파를 인가하였다.
<실험예 2>
실시예 2 내지 4와 비교예 2 및 3의 전지셀 제조장치의 각 제 1 실링 툴에 연결되어 있는 온도 감지부를 통해, 상기 제 1 실링 툴의 온도가 섭씨 190도에 도달하였을 때부터, 그 값을 0.2초 단위로 측정하고, 그 값이 섭씨 200도에 도달하였을 때, 유도 가열 부재에 대한 고주파 인가를 정지한 후, 상기 제 1 실링 툴의 온도를 0.2초 단위로 측정하여, 그 값을 표 2에 각각 나타내었다.
<표 2>
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 상기 비교예 2의 전지셀 제조장치의 제 1 실링 툴은 실시예 2 내지 4에 비해, 섭씨 200도 이상의 온도로 가열되는 시간이 상대적으로 더 오래 걸렸음을 확인할 수 있다.
이는 유도 가열 코일에 인가되는 고주파의 주파수가 지나치게 낮은 비교예 2의 경우, 상대적으로 실링 툴의 가열에 지나치게 많은 시간이 소요되며, 이로 인해 전지셀 제조 공정에 소요되는 시간을 지연시킬 수 있음을 의미한다.
한편, 상기 비교예 3의 전지셀 제조장치의 제 1 실링 툴은 실시예 2 내지 4에 비해, 보다 빠른 시간 내에 섭씨 200도 이상의 온도로 가열되었으나, 고주파 인가를 정지한 T14 이후에도, 섭씨 200도 미만으로 냉각되는데 소요되는 시간이 실시예 2 내지 4에 비해, 상대적으로 오래 걸렸음을 확인할 수 있다.
이는 유도 가열 코일에 인가되는 고주파의 주파수가 지나치게 높은 비교예 3의 경우, 상대적으로 실링 툴의 온도 제어가 용이하지 않음을 의미하며, 이로 인해, 실링 툴에 의해 지지 및 가압되는 전지케이스의 외주변에 오히려 손상을 줄 수도 있음을 의미한다.
반면에, 상기 실시예 2 내지 4에 따른 전지셀 제조장치는 상대적으로 실링 툴의 온도 제어가 용이하며, 이에 따라, 전지케이스의 외주변에 대한 손상을 효과적으로 예방할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (14)
- 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착된 상태에서, 열융착에 의해 밀봉된 실링부를 포함하는 구조의 전지셀을 제조하는 장치로서,
전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주변에 형성되는 실링부의 일측 외면인 제 1 면을 지지 및 가압하는 제 1 실링 툴;
상기 제 1 면의 반대 면인 실링부의 타측 외면인 제 2 면을 지지 및 가압하는 제 2 실링 툴; 및
상기 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴에 각각 대면한 상태로 위치해 있으며, 상기 실링부를 형성하는 과정에서 제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴을 가열하는 유도 가열 부재;
를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트(sealant)층의 적층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유도 가열 부재는, 고주파 유도에 의해 대면해 있는 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴을 직접 가열하는, 한 쌍의 유도 가열 코일인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 한 쌍의 유도 가열 코일은 전지케이스의 실링부에 대향하는 방향에서, 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴의 중앙 부위에 각각 위치해 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 한 쌍의 유도 가열 코일은 전지케이스의 실링부에 인접한 제 1 실링 툴 및 제 2 실링 툴의 측면을 각각 감싸는 구조로 위치해 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 유도 가열 부재에 인가되는 고주파의 주파수는 1kHz 내지 80kHz인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유도 가열 부재와 유도 가열 부재에 의해 가열된 실링 툴의 온도 차이는 섭씨 10도 이내인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유도 가열 부재에 의해 가열된 실링 툴의 온도는 섭씨 150도 내지 200도인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 제조장치는,
제 1 실링 툴과 제 2 실링 툴의 온도를 감지하는 온도 감지부;
유도 가열 부재에 고주파를 인가하는 고주파 유도부; 및
상기 온도 감지부의 신호에 대응하여, 고주파 유도부의 작동 상태를 제어하는 제어부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치. - 제 10 항에 있어서, 상기 고주파 유도부는 온도 감지부에서 감지한 온도가 제 1 온도 값 미만일 경우에, 유도 가열 부재에 고주파를 인가함으로써, 상기 유도 가열 부재를 가열하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 10 항에 있어서, 상기 고주파 유도부는 온도 감지부에서 감지한 온도가 제 2 온도 값을 초과할 경우에, 유도 가열 부재에 대한 고주파 인가를 정지하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
- 제 1 항에 따른 전지셀 제조장치에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 13 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| GRNT | Written decision to grant |