KR20180061872A - 전극조립체 제조장치 및 전극조립체를 제조하는 방법 - Google Patents

전극조립체 제조장치 및 전극조립체를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체를 포함하고 있는 전극조립체를 제조하는 장치로서,
하나의 양극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 하나의 음극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 음극 단위체를 접합(laminating) 하기 위한 라미네이터(laminator);
접합된 제 1 양극 단위체와 제 1 음극 단위체를 적어도 1회 이상 교번 적층하여 적층 구조체를 형성시키기 위한 적층 이송부;
제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 노출된 전극의 위치를 확인하여 정렬(align)하기 위한 정렬 판독부; 및
적층된 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체 간의 접착이 이루어지도록 적층 구조체를 가열 압착하기 위한 열압착부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치를 제공한다.

Description

전극조립체 제조장치 및 전극조립체를 제조하는 방법 {Manufacturing Apparatus of Electrode Assembly and Method for Manufacturing Electrode Assembly}
본 발명은 전극조립체 제조장치 및 전극조립체를 제조하는 방법에 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.
여기서, 스택형 전극조립체는 단일 또는 복수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하고 전극과 분리막들을 접합시킨 구조로서, 기본 단위체를 순차적으로 적층한 뒤 라미네이션 하는 것으로 단순한 제조방법이 가능하므로, 권취형 전극조립체 보다 제조가 쉬운 이점이 있다.
또한, 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 이송되며, 상기 장치들에서 최종 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 단차가 발생되어 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 부위에서 단선이 일어나거나, 양극과 음극이 이격된 부위가 전지의 내부 저항을 높이는 원인이 될 수 있는 등에 불량을 발생시키는 문제가 있었다.
이와 관련하여, 도 1에는 종래 기술에 따른 기본 단위체들이 적층되어 형성된 적층 구조체를 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에서는 적층 구조체(40)를 구성하는 기본 단위체인 라미네이션 적합된 양극판(14)/제 1 분리막(13)/음극판(12)/제 2 분리막(11) 구조로 이루어진 모노셀(Mono-Cell, 15)들을 순차적으로 적층하고, 다수의 모노셀(15)들이 적층된 적층체를 열과 압력을 인가하여 이들을 상호 접합시키는 라미네이션을 수행하여 전극조립체를 제조하였다.
그러나, 종래 기술의 모노셀은 이미 모노셀을 제조하는 과정에서 1 차적으로 양극판, 제 1 분리막, 음극판 및 제 2 분리막을 모두 한번에 라미네이션하는 공정을 수행함으로, 이때 양극판과 음극판의 위치가 서로 어긋나기 쉬워 조립 공차가 발생할 수 있었고, 또한, 모노셀들을 적층하는 공정에서는 적층 정렬(stacking align)을 위해 정렬 판독부가 음극판에 적층된 제 1 분리막의 위치를 기준으로 정렬을 실시하기 때문에, 실질적으로 높은 정밀도가 필요한 음극판과 양극판 간의 적층 정렬의 정밀도가 떨어지는 문제가 있었다.
따라서, 적층 구조체의 기본 단위체들의 적층 공정에서 전극들이 소망하는 위치에 적층 정렬되어 접합 공정을 실시할 수 있도록 새로운 전극조립체 제조 장치 및 제조방법의 기술이 필요한 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, 본 발명의 전극조립체를 구성하기 위한 기본 단위체로 하나의 양극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 하나의 음극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 음극 단위체를 라미네이터로 접합을 수행하거나, 적층 이송부로 정렬 적층할 경우, 적층 공정에서 전극들이 소망하는 위치에 높은 정밀도로 적층 정렬을 실시할 수 있어, 음극과 양극간의 조립 공차를 획기적으로 줄일 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전극조립체를 제조하는 장치는,
기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체를 포함하고 있는 전극조립체를 제조하는 장치로서,
하나의 양극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 하나의 음극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 음극 단위체를 접합(laminating) 하기 위한 라미네이터(laminator);
접합된 제 1 양극 단위체와 제 1 음극 단위체를 적어도 1회 이상 교번 적층하여 적층 구조체를 형성시키기 위한 적층 이송부;
제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 노출된 전극의 위치를 확인하여 정렬(align)하기 위한 정렬 판독부; 및
적층된 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체 간의 접착이 이루어지도록 적층 구조체를 가열 압착하기 위한 열압착부;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체를 제조하는 장치는, 전극조립체를 구성하기 위한 기본 단위체로 하나의 양극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 하나의 음극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 음극 단위체를 라미네이터로 접합을 수행하고, 이렇게 접합된 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체를 적층 이송부를 통해 정렬 적층함으로써, 적층 공정에서 전극들이 소망하는 위치에 높은 정밀도로 적층 정렬을 실시할 수 있어, 음극판과 양극판 간의 조립 공차를 획기적으로 줄일 수 있는 효과를 발휘한다.
여기서, 양극판 및 음극판 각각은 전도성 금속으로 이루어진 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합재가 코팅된 구성을 말한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 접합된 제 1 양극 단위체와 상기 접합된 제 1 음극 단위체를 적층 이송부로 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 이송하기 위한 복수의 롤러들을 더 포함하고 있을 수 있다.
한편, 종래 기술의 롤-투-시트(roll to sheet) 방식을 이용하는 제조 공정에서는 펀칭(punching) 또는 레이저 컷팅(laser cutting)을 이용하여 집전체 및 분리막의 형상을 가공하였다. 그러나, 펀칭(punching) 또는 레이저 컷팅(laser cutting)의 형상 공정은 전극판 및 분리막의 제어가 까다롭고, 형상 가공된 전극판 및 분리막을 매거진에 수납하는 공정이 필요하므로, 롤-투-롤 방식의 노칭 공정에 비해 생산 속도가 느리고, 매거진(magazine)을 사용에 따라 고가의 설비와 넓은 작업 장소의 소요가 있어, 제조 비용을 상승되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 전극조립체 제조 장치는, 집전체 및 분리막의 형상을 가공하기 위해 롤-투-롤 방식으로 집전체 및 분리막을 이송하는 중에 노칭(notching) 공정으로 그 형상 가공을 수행함으로써, 종래기술의 펀칭 공정 또는 레이저 컷팅을 이용하는 공정에 비해 생산 속도가 빠르며, 저가의 설비와 적은 작업 공간을 필요로 하는 바, 제조 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 효과를 발휘한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 적층 이송부는, 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 취하여 지정된 위치로 이송 및 적층하기 위한 로봇 암(robot arm)을 포함하고 있을 수 있다. 상기 로봇 암은 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 취하여 정렬 판독부로 이를 이송한 뒤, 정렬 판독부가 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 노출된 전극의 위치를 확인하는 과정에 이용될 수 있다.
또한, 상기 정렬 판독부는 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 전극의 위치를 확인하기 위한 비전(vision)부를 포함하고 있고, 상기 비전부가, 전극의 위치를 확인한 후, 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 정위치에 적층하기 위한 교정 신호를 적층 이송부로 송출할 수 있다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 적층 구조체는 가장 처음으로 적층되는 전극 단위체가 제 1 양극 단위체일 수 있고, 또한, 가장 마지막으로 적층되는 전극 단위체는 제 1 양극 단위체일 수 있다. 이때, 상기 제 1 양극 단위체는 집전체의 일면에만 양극합재가 코팅된 하나의 양극판으로만 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 적층 구조체는 최하단 및 최상단에 위치한 전극 단위체는 제 1 양극 단위체이고, 적층 구조체의 최하단 및 최상단의 제 1 양극 단위체들의 최외각층은 양극합재가 비코팅된 집전체가 위치되어 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체 장치로 제조된 전극조립체는, 종래 전극조립체의 최상단 및 최하단에 위치에 전극조립체의 외면을 구성하는 분리막을 포함하는 음극 단위체를 위치시킨 구성과 달리, 전극조립체의 분리막을 비포함하는 최상단 및 최하단에 양극 단위체를 위치시킴으로써, 분리막 구성을 생략하고도 전극조립체를 구현하는 것이 가능하고, 이에 따라, 전극조립체의 에너지 밀도를 효과적으로 높일 수 있다.
또한, 상기 정렬 판독부가 제 1 양극 단위체의 전극의 위치를 기준으로 이후에 적층되는 전극 단위체의 전극의 위치를 정렬할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 접합된 제 1 양극 단위체 및 상기 접합된 제 1 음극 단위체를 진공 건조시키기 위한 진공 건조기(vacuum dryer)를 더 포함하고 있을 수 있다.
또한, 상기 진공 건조기는 롤-투-롤 방식으로 전극판 및 분리막을 이송하는 중에 진공 건조 공정을 수행할 수 있고, 매거진에 수납된 전극판 및 분리막을 진공 건조 공정을 수행하는 방식에 비해 공간 효율이 2배 이상 높아, 제조 설비 시설의 비용을 절감할 수 있는 효과를 발휘한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 열압착부는 상기 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 적층 장착하기 위한 제 1 열압착 지그; 및 상기 제 1 열압착 지그에 적층 장착된 적층 구조체의 외면을 가열 가압하기 위한 제 2 열압착 지그;를 포함하고 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 적층 구조체는 기본 단위체로서, 제 1 양극 단위체의 제 1 양극판의 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 양극판, 및 상기 제 1 양극 단위체의 제 1 분리막과 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 분리막으로 구성된 제 2 양극 단위체를 더 포함하고 있을 수 있다.
또한, 상기 적층 구조체는 기본 단위체로서, 제 1 음극 단위체의 제 1 음극판의 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 음극판, 및 상기 제 1 음극 단위체의 제 1 분리막과 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 분리막으로 구성된 제 2 음극 단위체를 더 포함하고 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극판, 음극판 및 분리막은 노칭(notching) 공정에 의해 그 형상이 제조될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체 제조장치를 사용하여 제조된 전극조립체를 제공할 수 있다. 또한, 상기 전극조립체의 가장 하단에 위치한 전극 단위체는 제 1 양극 단위체일 수 있다.
본 발명은 또한, 기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체로 이루어진 전극조립체를 제조하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체로 이루어진 전극조립체를 제조하는 방법은,
(a) 라미네이터(laminator)가, 제 1 양극판과 제 1 분리막이 교대로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 제 1 음극판과 제 1 분리막이 교대로 적층된 제 1 음극 단위체를 각각 접합하는 과정;
(b) 적층 이송부가 접합된 제 1 양극 단위체 및 접합된 제 1 음극 단위체를 라미네이터로부터 이송하기 위해, 이송 장치가 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 취하는 과정;
(c) 정렬 판독부가 이송 장치에 취해진 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 노출된 전극의 위치를 확인하고, 단위체를 정위치에 적층하기 위한 교정 신호를 적층 이송부의 이송 장치로 송출하는 과정;
(d) 적층 이송부의 이송 장치가 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체 각각이 적어도 1회 이상 교번 적층되도록 열압착부에 적층하는 과정; 및
(e) 열압착부에 적층된 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체 간의 접착이 이루어지도록 가열 압착하는 과정;
을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극판, 분리막 및 음극판은 과정(a) 이전에 노칭(notching) 공정에서 그 형상이 제조될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(b)에서, 접합된 제 1 양극 단위체 및 접합된 제 1 음극 단위체는 적층 이송부로 롤-투-롤 방식으로 이송될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 적층 이송부의 이송 장치는 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체를 취한 후, 지정된 위치에 이송 적층하기 위한 로봇 암(arm)일 수 있다.
상기 정렬 판독부는 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 전극의 위치를 확인하기 위한 비전(vision)부를 포함하고;
하나의 구체적인 예에서, 상기 비전부가, 전극의 위치를 확인한 후, 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 정위치에 적층하기 위한 교정 신호를 적층 이송부로 송출할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 적층 이송부는 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체를 열압착부에 교번 적층하여 적층 구조체를 형성시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 적층 이송부의 로봇 암은 열압착부의 제 1 열압착 지그에 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 적층 장착할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 접합된 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체는 적층 이송부로 롤-투-롤 방식으로 이송되는 중에 진공 건조기(vacuum dryer)를 이용하여 진공 건조될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 적층 구조체는 기본 단위체로서, 제 1 양극 단위체의 제 1 양극판의 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 양극판, 및 상기 제 1 양극 단위체의 제 1 분리막과 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 분리막으로 구성된 제 2 양극 단위체를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 적층 구조체는 기본 단위체로서, 제 1 음극 단위체의 제 1 음극판의 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 음극판, 및 상기 제 1 음극 단위체의 제 1 분리막과 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 분리막으로 구성된 제 2 음극 단위체를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
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 Ga이고 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 20 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 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.
또한, 상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다. 또한, 상기 음극 활물질은 흑연계 탄소, 코크스계 탄소 및 하드 카본으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
앞서 설명한 전극조립체를 제조하기 위한 제조 구성들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전극조립체를 제조하는 장치는, 전극조립체를 구성하기 위한 기본 단위체로 하나의 양극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 하나의 음극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 음극 단위체를 라미네이터로 접합을 수행하고 적층 이송부에 의해 정렬 적층할 경우, 적층 공정에서 전극들이 소망하는 위치에 높은 정밀도로 적층 정렬을 실시할 수 있어, 음극판과 양극판 간의 조립 공차를 획기적으로 줄일 수 있는 효과를 발휘한다.
도 1은 종래 기술에 따른 기본 단위체들이 적층되어 형성된 적층 구조체를 나타낸 단면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 장치를 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 장치에 의해 기본 단위체들이 적층되어 형성된 적층 구조체를 나타낸 단면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 장치의 열압착부를 나타낸 단면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 나타낸 단면도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 단면도가 도시되어 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 단면도가 도시되어 있다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다;
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 장치를 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 장치에 의해 기본 단위체들이 적층되어 형성된 적층 구조체를 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체를 제조하는 장치(100)는,
기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체를 포함하고 있는 전극조립체를 제조하기 위한 장치(100)로서,
집전체(21)의 양면에 양극합재(23)가 코팅된 하나의 양극판(32)과 하나의 분리막(31)이 2층 구조로 적층된 제 1 양극 단위체(37), 및 집전체(24)의 양면에 음극합재(26)가 코팅된 하나의 음극판(34)과 하나의 분리막(33)이 2층 구조로 적층된 제 1 음극 단위체(38)를 접합하기 위한 라미네이터(130, 132);
접합된 제 1 양극 단위체(37)와 접합된 제 1 음극 단위체(38)를 적어도 1회 이상 교번 적층하여 적층 구조체(50)를 형성시키기 위한 적층 이송부(150);
제 1 양극 단위체(37) 또는 제 1 음극 단위체(38)의 노출된 전극의 위치를 확인하여 정렬하기 위한 정렬 판독부(180); 및
적층된 제 1 양극 단위체(37) 및 제 1 음극 단위체(38) 간의 접착이 이루어지도록 적층 구조체(50)를 가열 압착하기 위한 열압착부(160);
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 양극판(32), 음극판(34) 및 분리막은 다수의 롤러들(144) 상에서 이송되면서 노칭(notching) 공정에 의해 그 형상이 제조된다.
또한, 접합된 제 1 양극 단위체(37)와 접합된 제 1 음극 단위체(38)를 적층 이송부(150)로 롤-투-롤 방식으로 이송하기 위한 복수의 롤러들(145)을 더 포함하고 있다.
이러한 적층 이송부(150)는, 제 1 양극 단위체(37) 및 제 1 음극 단위체(38)를 취하여 지정된 위치로 이송 및 적층하기 위한 로봇 암들(151, 152)을 포함하고 있다.
또, 정렬 판독부(180)는, 제 1 양극 단위체(37) 또는 제 1 음극 단위체(38)의 전극의 위치를 확인하기 위한 비전부들(182, 184)을 포함하고 있고, 이러한 비전부들(182, 184)이, 전극 단위체들(37, 38)의 전극의 위치를 확인한 후, 제 1 양극 단위체(37) 또는 제 1 음극 단위체(38)를 정위치에 적층하기 위한 교정 신호를 적층 이송부(150)로 송출할 수 있다.
접합된 제 1 양극 단위체(37) 및 접합된 제 1 음극 단위체(38)를 진공 건조시키기 위한 진공 건조기들(140, 142)을 더 포함하고 있고, 상기 진공 건조기들(140, 142)은 다수의 롤러들(144)에 제 1 양극 단위체(37) 또는 제 1 음극 단위체(38)이 이송되는 중에 건조 공정을 실시 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극조립체를 제조하는 장치(100)는, 다수의 롤러들(144), 공급부(111, 112, 113, 114) 및 커팅부(121, 122, 123, 124)를 더 포함하고 있다.
다수의 롤러들(144)은 제조 장치(100)의 전반에서 절단 이전의 전극 원단들(17, 18) 및 분리막 원단들(11, 12)의 하단을 지지하고, 이를 일 방향으로 이송할 수 있도록 회전하는 롤러이다.
제 1 공급부(111) 및 제 2 공급부(112)는 절단 이전의 양극 원단(17) 및 음극 원단(18)을 공급하고, 제 3 공급부(113) 및 제 4 공급부(114)는 절단 이전의 분리막 원단들(11, 12)을 공급한다.
또한, 절취 이전의 시트 형태의 전극 원단들(17, 18)과 분리막 원단들(11, 12)은 상기한 커팅부들(121, 122, 123, 124)에서 소망하는 크기로 절단될 수 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 장치(100)에 열압착부(160)를 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 열압착부(160)는 제 1 양극 단위체(37) 또는 제 1 음극 단위체(38)를 적층 장착하기 위한 제 1 열압착 지그(162) 및 제 1 열압착 지그(162)에 적층 장착된 적층 구조체(50)의 외면을 가열 가압하기 위한 제 2 열압착 지그(164)를 포함하고 있다.
또한, 열압착부(160)는 가열을 위한 히터들(172, 173)이 포함되어 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도 5을 참조하면, 본 발명은 전극조립체 제조 장치(100)에 의해 제조된 전극조립체(300)가 개시되어 있고, 전극조립체(300)의 양극판(32) 및 음극판(34)에는 양극 탭(25) 및 음극 탭(27)이 형성되어 있다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 단면도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전극조립체(305)의 적층 구조체(304)는 가장 처음으로 적층되는 전극 단위체가 양극 단위체(306)이고, 가장 마지막으로 적층되는 전극 단위체는 양극 단위체(307)이다. 이때, 1 양극 단위체들은 집전체(308)의 일면에만 양극합재(309)가 코팅된 하나의 양극판으로만 구성되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 적층 구조체(305)는 적층 구조체의 최하단 및 최상단의 양극 단위체들(306, 307)의 최외각층은 양극합재가 비코팅된 집전체(308)가 위치되어 있는 구조로 인해, 최하단 및 최상단의 전극 단위체의 분리막 구성을 생략할 수 있는 효과를 발휘한다.
도 7에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 단면도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 전극조립체(310)의 적층 구조체(315)는 기본 단위체로서, 제 1 양극 단위체(37)의 제 1 양극판(32)의 평면 크기보다 작은 크기를 가진 제 2 양극판(43), 및 제 1 양극 단위체(37)의 제 1 분리막(31)과 평면 크기보다 작은 크기를 가진 제 2 분리막(45)으로 구성된 제 2 양극 단위체(41)를 더 포함하고 있다.
또한, 전극조립체(310)의 적층 구조체(315)는 기본 단위체로서, 제 1 음극 단위체(38)의 제 1 음극판(34)의 평면 크기보다 작은 크기를 가진 제 2 음극판(34), 및 제 1 음극 단위체(38)의 제 1 분리막(33)과 평면 크기보다 작은 크기를 가진 제 2 분리막(46)으로 구성된 제 2 음극 단위체(42)를 더 포함하고 있다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 방법을 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3과 함께 도 8을 참조하면, 본 발명은 또한, 기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체로 이루어진 전극조립체를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체로 이루어진 전극조립체를 제조하는 방법(500)은,
라미네이터들(130, 132)이, 하나의 양극판(32)과 하나의 분리막(32)이 교대로 적층된 제 1 양극 단위체(37), 및 하나의 음극판(34)과 하나의 분리막(33)이 교대로 적층된 제 1 음극 단위체(38)를 각각 접합하는 과정(a)(510);
적층 이송부(150)가 접합된 제 1 양극 단위체(37) 및 접합된 제 1 음극 단위체(38)를 라미네이터(130)로부터 이송하기 위해, 이송 장치(100)가 제 1 양극 단위체(37) 또는 제 1 음극 단위체(38)를 취하는 과정(b)(520);
정렬 판독부(180)가 이송 장치(100)에 취해진 제 1 양극 단위체(37) 또는 제 1 음극 단위체(38)의 노출된 전극의 위치를 확인하고, 단위체를 정위치에 적층하기 위한 교정 신호를 적층 이송부(150)의 이송 장치(100)로 송출하는 과정(c)(530);
적층 이송부(150)의 이송 장치(100)가 제 1 양극 단위체(37) 및 제 1 음극 단위체(38) 각각이 적어도 1회 이상 교번 적층되도록 열압착부(160)에 적층하는 과정(d)(540); 및
열압착부(160)에 적층된 제 1 양극 단위체(37) 및 제 1 음극 단위체(38) 간의 접착이 이루어지도록 가열 압착하는 과정(e)(550);
을 포함하고 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체를 제조하는 장치는, 전극조립체를 구성하기 위한 기본 단위체로 하나의 양극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 하나의 음극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 음극 단위체를 라미네이터로 접합을 수행하고, 이렇게 접합된 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체를 적층 이송부로 정렬 적층함으로써, 적층 공정에서 전극들이 소망하는 위치에 높은 정밀도로 적층 정렬을 실시할 수 있어, 음극판과 양극판 간의 조립 공차를 획기적으로 줄일 수 있는 효과를 발휘한다.

Claims (14)

  1. 기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체를 포함하고 있는 전극조립체를 제조하는 장치로서,
    하나의 양극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 하나의 음극판과 하나의 분리막이 2층 구조로 적층된 제 1 음극 단위체를 접합(laminating) 하기 위한 라미네이터(laminator);
    접합된 제 1 양극 단위체와 제 1 음극 단위체를 적어도 1회 이상 교번 적층하여 적층 구조체를 형성시키기 위한 적층 이송부;
    제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 노출된 전극의 위치를 확인하여 정렬(align)하기 위한 정렬 판독부; 및
    적층된 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체 간의 접착이 이루어지도록 적층 구조체를 가열 압착하기 위한 열압착부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 접합된 제 1 양극 단위체와 상기 접합된 제 1 음극 단위체를 적층 이송부로 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 이송하기 위한 복수의 롤러들을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적층 이송부는, 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 취하여 지정된 위치로 이송 및 적층하기 위한 로봇 암(robot arm)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정렬 판독부는 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 전극의 위치를 확인하기 위한 비전(vision)부를 포함하고 있고;
    상기 비전부가, 전극의 위치를 확인한 후, 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 정위치에 적층하기 위한 교정 신호를 적층 이송부로 송출하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 접합된 제 1 양극 단위체 및 상기 접합된 제 1 음극 단위체를 진공 건조시키기 위한 진공 건조기(vacuum dryer)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 열압착부는
    상기 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 적층 장착하기 위한 제 1 열압착 지그; 및
    상기 제 1 열압착 지그에 적층 장착된 적층 구조체의 외면을 가열 가압하기 위한 제 2 열압착 지그;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 적층 구조체는 기본 단위체로서, 제 1 양극 단위체의 제 1 양극판의 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 양극판, 및 상기 제 1 양극 단위체의 제 1 분리막과 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 분리막으로 구성된 제 2 양극 단위체를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적층 구조체는 기본 단위체로서, 제 1 음극 단위체의 제 1 음극판의 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 음극판, 및 상기 제 1 음극 단위체의 제 1 분리막과 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 분리막으로 구성된 제 2 음극 단위체를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체 제조장치를 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 기본 단위체로서 적어도 1종 이상의 전극 단위체로 이루어진 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 라미네이터(laminator)가, 제 1 양극판과 제 1 분리막이 교대로 적층된 제 1 양극 단위체, 및 제 1 음극판과 제 1 분리막이 교대로 적층된 제 1 음극 단위체를 각각 접합하는 과정;
    (b) 적층 이송부가 접합된 제 1 양극 단위체 및 접합된 제 1 음극 단위체를 라미네이터로부터 이송하기 위해, 이송 장치가 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체를 취하는 과정;
    (c) 정렬 판독부가 이송 장치에 취해진 제 1 양극 단위체 또는 제 1 음극 단위체의 노출된 전극의 위치를 확인하고, 단위체를 정위치에 적층하기 위한 교정 신호를 적층 이송부의 이송 장치로 송출하는 과정;
    (d) 적층 이송부의 이송 장치가 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체 각각이 적어도 1회 이상 교번 적층되도록 열압착부에 적층하는 과정; 및
    (e) 열압착부에 적층된 제 1 양극 단위체 및 제 1 음극 단위체 간의 접착이 이루어지도록 가열 압착하는 과정;
    을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 양극판, 분리막 및 음극판은 과정(a) 이전에 노칭(notching) 공정에서 그 형상이 제조되는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 과정(b)에서, 접합된 제 1 양극 단위체 및 접합된 제 1 음극 단위체는 적층 이송부로 롤-투-롤 방식으로 이송되는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 적층 구조체는 기본 단위체로서, 제 1 양극 단위체의 제 1 양극판의 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 양극판, 및 상기 제 1 양극 단위체의 제 1 분리막과 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 분리막으로 구성된 제 2 양극 단위체를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 적층 구조체는 기본 단위체로서, 제 1 음극 단위체의 제 1 음극판의 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 음극판, 및 상기 제 1 음극 단위체의 제 1 분리막과 평면 크기와 다른 크기를 가진 제 2 분리막으로 구성된 제 2 음극 단위체를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
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