KR20190038094A - 이차 전지의 파우치 성형 장치 - Google Patents

이차 전지의 파우치 성형 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이; 펀치; 및 직선부 및 코너부로 구성되며, 상기 다이에 놓여지는 파우치 필름을 고정하기 위한 스트리퍼를 포함하고, 상기 스트리퍼는 파우치와 접촉되는 부분에 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부에 대향하는 홈부가 다이상에 형성되어 있는 것인, 이차전지의 파우치 성형 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이차 전지의 파우치 성형 장치는 파우치의 성형을 위한 유효 면적이 감소되어 필름 크기를 줄일 수 있으며, 파우치 성형을 위한 금형(Tool)의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 성형 중 발생되는 파우치의 형상의 변형을 막을 수 있어 이로 인한 제조 공정의 문제를 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

이차 전지의 파우치 성형 장치 {Apparatus for forming a pouch for secondary battery}
본 발명은 이차 전지의 파우치 성형 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다.
또한, 전기 제품들에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며 수요의 형태 역시 다양해지고 있다. 따라서 다양한 요구에 부응할 수 있게 이차 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
이차 전지는 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류되는데, 이 중 파우치형 이차 전지는 전극 조립체가 금속 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 내장되어 있는 이차 전지이다. 파우치형 이차 전지는 제조가 용이하고 제조 원가가 낮으며 복수의 단위 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 대용량의 전지 팩을 구성하기 쉽다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 구조를 가진 파우치형 이차 전지의 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지(10)는 외장재(20) 및 외장재(20)의 수납부(22)에 수납될 수 있는 전극조립체(30)를 구비한다. 전극조립체(30)는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 양극판과 음극판 사이를 전기적으로 절연시키는 분리막 또는 세퍼레이터 등으로 구성된다.
전극조립체(30)는 양극판에서 연장되어 형성되는 양극 탭(32)과 음극판에서 연장되어 형성되는 음극 탭(34)을 구비한다. 양극 탭(32)과 음극 탭(34)은 각각 도전성 재질로 이루어지는 양극 리드(36)와 음극 리드(38)에 접합된다. 전극 리드(36)(38)는 이차 전지와 외부 적용 기기 등을 상호 전기적으로 연결하는 전극 인터페이스의 기능을 수행한다.
외장재(20)의 수납부(22)는 예를 들어, 파우치 필름의 프레스 가공에 의해 형성될 수 있다. 그런데, 선행기술에 따른 이차 전지용 파우치 성형 장치는 성형 다이에 파우치 필름을 올려 놓고 파우치 필름을 스트리퍼로 고정한 후 펀치를 이용하여 파우치 필름을 연신한다.
이 과정에서, 스트리퍼는 파우치 필름에 가해지는 연신력을 고르게 분산시키는 것이 매우 중요하다. 연신력이 고르게 분산되지 않을 경우 파우치 성형의 불량이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파우치 성형을 위한 압착 및 고정 장치인 스트리퍼의 가압력을 저감하고, 파우치 성형시 파우치 필름에 가해지는 스트레스를 고르게 분산시켜 파우치 성형 중 변형 발생을 방지할 수 있는 이차 전지의 파우치 성형 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다이; 펀치; 및 직선부 및 코너부로 구성되며, 상기 다이에 놓여지는 파우치 필름을 고정하기 위한 스트리퍼를 포함하고, 상기 스트리퍼는 파우치와 접촉되는 부분에 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부에 대향하는 홈부가 다이상에 형성되어 있는 것인, 이차전지의 파우치 성형 장치가 제공된다.
상기 돌기부가 스트리퍼의 코너부에 형성될 수 있다.
상기 돌기부가 스트리퍼의 직선부에 형성될 수 있다.
상기 돌기부가 파우치의 절곡부에 형성될 수 있다.
상기 스트리퍼가 안착부 사이에 추가로 형성될 수 있다.
상기 다이의 홈부에 삽입되는 돌기부의 길이가 파우치 두께의 1.0 내지 1.5배일 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지의 파우치 성형 장치는 파우치의 성형을 위한 유효 면적이 감소되어 필름 크기를 줄일 수 있으며, 파우치 성형을 위한 금형(Tool)의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 성형 중 발생되는 파우치의 형상의 변형을 막을 수 있어 이로 인한 제조 공정의 문제를 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 구조를 가진 파우치형 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 2는 일반적으로 사용되는 이차전지의 파우치 성형장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 이차전지의 파우치 성형장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 돌기부가 형성된 스트리퍼와 홈부가 형성된 다이를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 돌기부가 형성된 스트리퍼가 형성될 수 있는 위치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 돌기부가 형성된 스트리퍼와 홈부가 형성된 다이의 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
이차전지의 파우치를 제조하는 방법으로는 파우치의 한 쪽 면에 포밍 금형(Forming mold)을 이용하여 전지부가 삽입되어 안착될 형상을 만들고, 포밍되지 않은 파우치의 다른 한 쪽을 반으로 접은 후 그 사이에 전지부를 삽입하여 케이스 네 변 중 절곡부를 제외한 나머지 세 변 둘레에 형성되는 밀폐면을 밀폐하는 싱글 포밍(SingleForming) 방법과, 파우치의 양쪽 면에 포밍 금형(Forming mold)을 이용하여 전지부가 삽입되어 안착될 형상을 만들고, 포밍된 두 안착부 사이 중앙을 접어 그 사이에 전지부를 삽입하고 케이스의 네 변 둘레에 형성되는 밀폐면을 밀폐하는 더블 포밍(Double Forming) 방법으로 나눌 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 파우치 성형장치는 싱글 포밍은 물론 더블 포밍 방식에 따른 파우치의 제조에도 적용될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 아래에서 하기로 한다.
도 2는 일반적으로 사용되는 이차전지의 파우치 성형장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 이차전지의 파우치 성형장치는 상부 프레스와 하부 프레스로 구성된 일반적인 프레스 장치에 설비되는 것이 바람직하고, 이는 당업계에서 공지된 구성으로 이러한 프레스 장치에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다이는 그 위에 놓여지는 파우치 필름이 스트리퍼의 하면에 접촉할 때까지 하부 프레스의 구동력에 의해 일정 압력 및 속도로 상승되어 스트리퍼와 함께 파우치 필름을 고정 및 지지할 수 있도록, 하부 프레스에 의해 상승 압력이 부여될 수 있는 구조를 가진다.
상기 다이의 대략 중앙 부위에는 개구가 형성된다. 개구는 성형될 이차 전지의 전극 조립체를 수납할 수 있는 형상과 크기를 가지며 또한, 개구는 4개의 직선부들과 4개의 코너부들에 의해 둘러 싸인다. 따라서, 성형될 파우치 필름이 다이에 놓여지게 되면, 파우치 필름의 하면은 직선부들과 코너부들에 접촉된다.
스트리퍼(striper)는 다이에 놓여진 파우치 필름을 상부에서 눌러 고정하는 기능을 가지며, 드로잉 성형시 파우치 필름의 상면을 균일하게 압박함으로써 펀치에 의해 파우치 필름에 가해지는 연신력을 고르게 분산시키기 위한 것으로서, 파우치 필름을 기준으로 다이와 대향되게 배치된다.
펀치는 상부 프레스에 의해 하강 압력을 받아 왕복 이동할 수 있고, 상부 프레스의 구동력에 의해 일정 압력 및 속도로 하강하여 파우치 필름을 압박하여 파우치 필름을 연신시킴으로써 전지용 파우치를 성형하기 위한 것이다. 펀치의 말단에 형성된 성형부는 전술한 바와 같이 스트리퍼의 관통부와 다이의 개구를 통과할 수 있는 크기를 가진다.
이와 같은 파우치를 제조하기 위해, 이차전지용 파우치 필름이 성형장치 내로 들어오면 스트리퍼가 파우치 성형부 이외를 고정하고 프레스 펀치(Press Punch)가 파우치 성형부를 눌러 파우치 재질의 연신성에 의해 펀치 모형과 같은 형태의 파우치가 성형된다.
그러나 상부 금형의 포스트는 고정되어 있으나, 파우치의 모양과 사이즈가 사용자(End User)의 요구에 따라 변경되므로 파우치를 고정하는 스트리퍼에 균일한 압력을 가할 수 없어 편심된 압력으로 파우치 필름을 성형하게 되며. 편심된 압력으로 인해 성형된 파우치에 주름이 발생할 수 있다.
파우치에 생긴 주름은 해당 부위의 접착력을 떨어뜨릴 수 있고, 미세 관로를 생성시켜 밀폐(sealing)부의 역할을 하지 못하며, 이로 인해 전해액의 누출, 산소와 반응하여 물리적 위험을 초래할 수 있고 이차전지 성능에 중요한 요소인 장기적 안정성에 악 영향을 미쳐 제품에 신뢰도를 저하시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 이차전지의 파우치 성형장치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 4는 돌기부가 형성된 스트리퍼와 홈부가 형성된 다이를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 돌기부가 형성된 스트리퍼가 형성될 수 있는 위치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 6은 돌기부가 형성된 스트리퍼와 홈부가 형성된 다이의 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
이하 도 3 내지 6을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다이; 펀치; 및 직선부 및 코너부로 구성되며, 상기 다이에 놓여지는 파우치 필름을 고정하기 위한 스트리퍼를 포함하고, 상기 스트리퍼는 파우치와 접촉되는 부분에 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부에 대향하는 홈부가 다이상에 형성되어 있는 것인, 이차전지의 파우치 성형 장치가 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 스트리퍼는 파우치와 접촉되는 부분에 돌기부가 형성되어 있을 수 있으며, 이에 따라, 상기 스트리퍼의 돌기부가 형성된 부분에 대향하는 다이의 부분에는 상기 돌기부가 삽입될 수 있는 홈부가 형성되어 있을 수 있다.
이와 같이 스트리퍼에 형성된 돌기부 및 상기 돌기부에 대향하는 다이 부분에 형성된 홈부는 파우치 필름을 보다 견고하게 고정하는 역할을 한다. 이에 따라 펀치를 이용하여 파우치를 성형할 때 파우치에 가하여지는 가압력을 골고루 분산하여 고정시킴으로써, 파우치 필름이 펀치의 압력에 의해 비정상적으로 끌려들러가는 것을 방지할 수 있어 균일한 포밍형상을 유지할 수 있고, 상대적으로 파우치 필름을 고정하는 면적이 줄어들어도 스트리퍼에 형성된 돌기와 돌기부에 대향하는 다이 부분의 홈부를 응용함으로써 파우치 성형시 사용되는 파우치 필름의 양을 줄일 수 있는 효과가 있어 경제적이다.
상기 스트리퍼의 돌기부가 형성되는 위치는 특별하게 제한되는 것은 아니나, 스트리퍼의 각 코너부에 형성되는 것이 바람직하다. 이후 파우치 필름의 절곡부를 따라 중앙부를 접어 파우치 셀이 제조되는 것을 고려하여, 상기 돌기부는 서로 대향되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 파우치를 성형함에 있어, 연신할 수 있는 구간을 확보하기 위해 상기 코너부에 형성된 돌기부는 전지부가 삽입되기 위한 성형부로부터 일정 거리 이격되어 있을 수 있으며, 30mm 이상 이격되어 있는 것이 특히 바람직하다.
상기 돌기부는 필요에 따라 직선부에 추가로 형성될 수 있다. 직선부에 형성되는 스트리퍼의 수는 특별하게 한정하는 것은 아니며, 복수개로 형성될 수 있다. 이에 따라 파우치 성형시 가하여지는 가압력의 분산을 보다 용이하게 할 수 있으며, 사용되는 파우치 필름의 양을 줄일 수 있음은 위에서 설명한 바와 같다.
한편, 상기 직선부에 형성될 수 있는 돌기부는 이후 파우치 필름의 절곡부를 따라 중앙부를 접어 파우치 셀이 제조되는 것을 고려하여, 서로 대향되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 돌기부는 파우치의 절곡부에 추가로 형성되는 것일 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이 이차전지의 포장재로 사용되는 파우치는 파우치 필름상에 전지부가 수납되는 부분을 성형한 후 이를 절곡부를 따라 접어 형성되는데 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 절곡부에 돌기부가 형성될 수 있다.
이에 따라, 파우치 필름에 가하여지는 가압력를 분산시킬 수 있을 뿐만 아니라, 파우치를 접어 파우치 셀을 형성하는 공정 또한 보다 용이하게 수행할 수 있는 장점이 있게 된다.
파우치의 절곡부에 추가로 형성되는 돌기부는 상기에서 설명한 바와 같이 싱글 포밍 방식은 물론 더블 포밍 방식에도 적용될 수 있다. 예를 들어 설명하면, 더블 포밍 방식의 경우 전지부가 삽입되도록 파우치 상에 형성된 두 부분의 중앙에 위치하는 절곡부에 돌기부가 형성될 수 있으며, 싱글 포밍 방식의 경우 전지부가 삽입되도록 형성된 하나의 부분과 이를 접어 파우치 셀을 형성할 때 생성되는 절곡부 상에 상기 돌기부가 형성될 수 있다.
한편, 상기 절곡부에 형성되는 돌기부는 사용되는 파우치 필름의 길이와 동일하게 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 파우치를 접는 경우에 있어서 절곡부를 돌기 형상을 구비하여 보다 용이하게 파우치를 접어 포밍 형상을 제조할 수 있게 된다.
한편, 돌기 삽입으로 인한 파우치의 손상을 방지하기 위해 상기 다이의 홈부에 삽입되는 스트리퍼에 형성된 돌기부의 길이는 파우치 필름의 두께의 1.0배 내지 1.5배인 것이 바람직하다. 1.0배 미만인 경우, 돌기부에 의한 고정 효과가 미미하여 파우치를 고정시키기 위한 추가적인 물리적 힘이 요구될 수 있으며, 1.5배 초과인 경우, 파우치 포밍에 있어서 고정을 위한 힘이 지나치게 강하여 연신이 일어나지 않고 파우치가 파손될 수 있는 문제가 있다.
상기 다이의 홈부에 삽입되는 스트리퍼에 형성된 돌기부의 폭은 특별히 한정하는 것은 아니다. 다만, 성형 과정 중 파우치 필름의 두께가 유지되도록 설정하는 것이 바람직하며, 이는 공정조건에 따라 임의로 설정될 수 있다. 또한, 돌기부, 파우치 및 홈부가 상호 접촉되는 부분은 굴곡진 형태, 즉 라운드(round)부로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 파우치의 손상을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
스트리퍼에 형성된 돌기부의 폭이 다이에 형성된 홈부의 폭보다 큰 경우에는 지속적인 접촉에 의해 해당 부분이 마모되고 결과적으로 파우치가 늘러붙는 현상이 발생할 수 있으므로, 스트리퍼에 형성된 돌기부의 폭은 다이에 형성된 홈부의 폭보다 큰 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100: 펀치
200: 스트리퍼
220: 돌기부
300: 다이
320: 홈부
400: 파우치
R: 라운드부

Claims (5)

  1. 다이;
    펀치; 및
    직선부 및 코너부로 구성되며, 상기 다이에 놓여지는 파우치 필름을 고정하기 위한 스트리퍼를 포함하고,
    상기 스트리퍼는 파우치와 접촉되는 부분에 돌기부가 형성되고,
    상기 돌기부에 대향하는 홈부가 다이상에 형성되어 있는 것인, 이차전지의 파우치 성형 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부가 스트리퍼의 코너부에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파우치 성형 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부가 상기 스트리퍼의 직선부에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파우치 성형 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부가 파우치의 절곡부에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파우치 성형 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다이의 홈부에 삽입되는 돌기부의 길이가 파우치 두께의 1.0 내지 1.5배인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파우치 성형 장치.
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