KR20200092760A

KR20200092760A - 전극 조립체 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체

Info

Publication number: KR20200092760A
Application number: KR1020190010093A
Authority: KR
Inventors: 반진호
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-08-04

Abstract

전극 조립체 제조장치가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치는, 지그재그 형태로 접힌 분리막의 접힘 구간에 양극판과 음극판이 순차적으로 교번되게 적층된 이차 전지용 전극 조립체를 제조하는 것으로서, ⅰ)베이스 프레임에 좌우 방향으로 이동 가능하게 설치되는 스태킹 베이스와, ⅱ)스태킹 베이스와 별개로 설정된 위치에서 롤 형태로 감긴 분리막을 풀어내며 스태킹 베이스 상으로 공급하는 분리막 공급부와, ⅲ)분리막의 일면으로 양극판을 공급하며, 분리막의 다른 일면으로 음극판을 공급하는 전극판 공급부와, ⅳ)스태킹 베이스에 전후 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 분리막의 Z형 접힘을 유도하고, 전극판 공급부에 의해 분리막의 접힘 구간으로 공급된 양극판과 음극판의 양측을 가압하는 그리퍼와, ⅴ)베이스 프레임에 좌우 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 나이프부재를 포함하며, 그리퍼에 접하는 분리막의 접힘 부분을 나이프부재를 통해 분리막의 폭 방향을 따라 펀칭하는 펀치 어셈블리를 포함할 수 있다.

Description

전극 조립체 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체 {DEVICE FOR MANUFACTURING ELECTRODE ASSEMBLY AND ELECTRODE ASSEMBLY USING THEREOF}

본 발명의 실시 예는 이차전지 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해핵의 함침성을 향상시킬 수 있는 이차 전지용 전극 조립체 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체에 관한 것이다.

일반적으로, 이차전지는 화학에너지와 전기에너지가 가역적으로 변환되면서 충전 및 방전이 가능한 에너지 밀도가 높은 에너지 저장체로서, 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 전지 자동차, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다.

이러한 이차전지는 양극판, 분리막, 음극판이 순차적으로 적층되어 전해질 용액에 함침된 형태로 이루어진다. 이와 같은 이차전지 내부 전극 조립체를 제작하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.

소형 이차전지의 경우 음극판 및 양극판을 분리막 상에 배치하고 이를 말아서(winding) 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 제작하는 방식이 많이 사용되며, 보다 많은 전기 용량을 가지는 중대형 이차전지의 경우에는 음극판, 양극판 및 분리막을 적절한 순서로 적층하여(stacking) 제작하는 방식이 많이 사용된다.

적층 식으로 이차전지 내부 전극 조립체를 제작하는 방식은 여러 가지가 있는데, 그 중 Z-폴딩(Z-folding, zigzag folding 또는 accordion folding 이라고도 함) 방식에서는 분리막이 지그재그로 접힌 형태를 이루며 그 사이에 음극판 및 양극판이 교번되어 삽입된 형태로 적층되도록 한다.

한편, 상기와 같이 분리막을 지그재그로 접은 상태에서 양극판과 음극판을 적층하며 전극 조립체를 제작한 후에는 일정 크기 및 모양의 캔(can) 또는 파우치(pouch)로 이루어진 전지 케이스에 전극 조립체를 삽입하고, 전지 케이스 내부로 전해액을 주입하며, 분리막이 개방된 양 탭부를 통해 분리막 내부의 전극을 전해액에 함침시킨다. 이러한 전해액은 모세관 힘(capillary force)에 의해 양극판, 음극판 및 분리막 사이로 스며들게 된다.

그러나, 종래 기술에서는 재료의 특성상, 양극판, 음극판 및 분리막 모두 소수성(hydrophobicity)이 큰 물질인 반면, 전해액은 친수성(hydrophilicity) 물질이기 때문에, 전해액의 전극 및 분리막에 대한 젖음성(wetting)을 높이기 위해 상당한 시간이 필요하고 까다로운 공정 조건이 요구된다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 Z형으로 접힌 분리막의 접힘 구간 사이에 양극판과 음극판이 순차적으로 교번되게 적층된 단위 셀들의 전해액 함침성을 향상시킬 수 있도록 한 전극 조립체 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치는, 지그재그 형태로 접힌 분리막의 접힘 구간에 양극판과 음극판이 순차적으로 교번되게 적층된 이차 전지용 전극 조립체를 제조하는 것으로서, ⅰ)베이스 프레임에 좌우 방향으로 이동 가능하게 설치되는 스태킹 베이스와, ⅱ)상기 스태킹 베이스와 별개로 설정된 위치에서 롤 형태로 감긴 분리막을 풀어내며 상기 스태킹 베이스 상으로 공급하는 분리막 공급부와, ⅲ)상기 분리막의 일면으로 양극판을 공급하며, 상기 분리막의 다른 일면으로 음극판을 공급하는 전극판 공급부와, ⅳ)상기 스태킹 베이스에 전후 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 분리막의 Z형 접힘을 유도하고, 상기 전극판 공급부에 의해 분리막의 접힘 구간으로 공급된 상기 양극판과 음극판의 양측을 가압하는 그리퍼와, ⅴ)상기 베이스 프레임에 좌우 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 나이프부재를 포함하며, 상기 그리퍼에 접하는 상기 분리막의 접힘 부분을 상기 나이프부재를 통해 상기 분리막의 폭 방향을 따라 펀칭하는 펀치 어셈블리를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치에 있어서, 상기 그리퍼는 한 쌍으로서 상호 교번되게 전후 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 분리막의 접힘 부분을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치에 있어서, 상기 그리퍼는 상기 펀치 어셈블리에 대응하는 일측에 상기 분리막의 폭 방향을 따라 연속적으로 형성되며, 상기 나이프부재와 결합되는 나이프 삽입 홈들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치에 있어서, 상기 펀치 어셈블리는 상기 각 그리퍼에 대응하여 상기 베이스 프레임에 한 쌍으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치에 있어서, 상기 나이프부재는 상기 각 그리퍼에 대응하여 상기 분리막의 폭 방향을 따라 연속적으로 구비되는 나이프 돌기들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치에 있어서, 상기 각 그리퍼에는 상기 분리막의 폭 방향을 따라 설정된 간격을 두고 연속적으로 형성되며, 상기 나이프 돌기들과 결합하는 나이프 삽입 홈들이 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치에 있어서, 상기 펀치 어셈블리는 제1 구동원을 통해 상기 베이스 프레임에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 제1 이동부재와, 제2 구동원을 통해 상기 제1 이동부재에 좌우 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 나이프부재와 결합되는 제2 이동부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치에 있어서, 상기 제1 구동원은 서보 모터를 포함하고, 상기 제2 구동원은 작동 실린더를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치에 있어서, 상기 분리막 공급부는 롤 형태로 감긴 상기 분리막의 원단을 풀어내는 언와인더와, 상기 언와인더를 통해 공급되는 상기 분리막을 가압하며, 상기 분리막에 텐션을 인가하는 한 쌍의 텐션 롤러를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극 조립체는, 스태킹 베이스, 분리막 공급부, 전극판 공급부, 그리퍼, 그리고 펀치 어셈블리를 포함하는 전극 조립체 제조장치를 이용하여 제조된 것으로서, 상기 분리막 공급부를 통해 공급되는 분리막을 상기 그리퍼를 통해 지지하고, 상기 스태이 베이스를 좌우 방향으로 이동시키며, 상기 분리막을 지그재그 형태로 접고, 상기 전극판 공급부를 통해 상기 분리막의 접힘 구간에 양극판과 음극판을 순차적으로 교번되게 적층하며, 상기 그리퍼에 접하는 상기 분리막의 양측 접힘 부분을 펀치 어셈블리의 나이프부재를 통해 펀칭하여 제조되되, 상기 분리막의 접힘 부분에 상기 분리막의 폭 방향을 따라 펀치 홀들이 설정된 간격을 두고 연속적으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이차 전지용 전극 조립체는, 상기 분리막을 사이에 두고 상기 분리막의 일면에 양극판이 위치하며, 상기 분리막의 다른 일면에 음극판이 위치하고 있는 다수의 단위 셀들이 전지 케이스 내부에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이차 전지용 전극 조립체는, 상기 전지 케이스의 내부에서 상기 분리막의 양측 개방부 및 상기 펀치 홀들을 통해 상기 양극판과 음극판에 전해액이 함침된 것으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 분리막의 Z형 접힘 부분에 펀치 홀들을 형성함에 따라, 펀치 홀들을 통하여 단위 셀들에 대한 전해액의 확산 경로를 증가시킴으로써, 단위 셀들을 전해액에 균일하게 함침시킬 수 있는 등 전해액에 대한 단위 셀들의 함침성을 더욱 향상시킬 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치에 의해 제조되는 전극 조립체의 제조 순서도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치에 적용되는 그리퍼 부위를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치에 적용되는 펀치 어셈블리의 나이프부재를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치에 적용되는 펀치 어셈블리의 작동 구조를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치를 이용하여 이차 전지용 전극 조립체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치에 의해 제조된 이차 전지용 전극 조립체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치에 의해 제조된 이차 전지용 전극 조립체의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치(100)는 다수의 단위 셀들이 적층된 이차전지로서의 전극 조립체를 제조하는 이차전지 제조 시스템에 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치에 의해 제조되는 전극 조립체의 제조 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 전극 조립체(10)는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차 등에 적용되는 이차전지로서, 지그재그 형태로 접힌 분리막(1)의 접힘 구간 사이에 양극판(3)과 음극판(5)이 순차적으로 교번되게 적층된 구조를 갖는다.

더 나아가, 상기 전극 조립체(10)는 Z 폴딩 방식으로 접힌 분리막(1)의 접힘 구간에서, 양극판(3)이 분리막(1)의 일면에 배치되며, 음극판(5)이 분리막(1)의 다른 일면에 배치된 단위 셀(7)을 포함하고 있다.

이러한 단위 셀(7)은 다단으로 적층되어 셀 스택을 이루는데, 그 셀 스택의 적층 시에는 단위 셀(7)의 양극판(3)이 분리막(1)의 일면을 향하고, 단위 셀(7)의 음극판(5)이 분리막(1)의 다른 일면을 향하며 순차적으로 적층될 수 있다

본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치(100)는 원단 형태의 분리막(1)을 Z 폴딩 방식으로 접으면서 그 분리막(1)의 접힘 구간 사이에 양극판(3)과 음극판(5)을 순차적으로 적층하며, 상기한 바와 같은 전극 조립체(10)를 제조할 수 있다.

통상적으로 당 업계에서는 방향의 기준을 XYZ 방향으로 설정하고 있으나, 본 발명의 실시 예에서는 도면을 기준으로 좌우, 전후 및 상하 방향으로 설정하는데, 상측을 향하는 부분을 상부, 상단, 상면 및 상단부로 정의하며, 하측을 향하는 부분을 하부, 하단, 하면 및 하단부로 정의하기로 한다.

더 나아가, 하기에서의 "단(한쪽/일측 단 또는 다른 한쪽/일측 단)"은 어느 한쪽의 끝으로 정의될 수 있고, 그 끝을 포함하는 일정 부분(한쪽/일측 단부 또는 다른 한쪽/일측 단부)으로 정의될 수도 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치(100)는 분리막(1)을 사이에 두고 양극판(3)과 음극판(5)이 적층된 단위 셀(7)들의 전해액 함칭성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전극 조립체 제조장치(100)는 기본적으로, 베이스 프레임(20), 스태킹 베이스(30), 분리막 공급부(40), 전극판 공급부(50), 그리퍼(61, 62), 그리고 펀치 어셈블리(71, 72)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기에서 베이스 프레임(20)은 이하에서 더욱 설명될 구성 요소를 지지하는 것으로서, 하나의 프레임 또는 둘 이상으로 구획된 프레임으로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 베이스 프레임(20)에는 본 장치(100)의 구성 요소들을 지지하기 위한 브라켓, 바아, 로드, 플레이트, 하우징, 케이스, 블록 등과 같은 각종 부속요소들을 포함할 수 있다.

하지만, 상기한 각종 부속요소들은 이하에서 설명될 본 장치(100)의 구성 요소들을 베이스 프레임(20)에 설치하기 위한 것이므로, 본 발명의 실시 예에서는 예외적인 경우를 제외하고 상기한 부속 요소들을 베이스 프레임(20)으로 통칭한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 스태킹 베이스(30)는 위에서 언급한 바 있는 단위 셀들을 Z 폴딩 방식으로 적층하기 위한 스태킹 다이로서, 베이스 프레임(20) 상에 좌우 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다.

여기서, 상기 스태킹 베이스(30)는 통상적인 서보 모터 및 구동 실린더 등과 같은 구동장치를 통해 베이스 프레임(20) 상의 가이드 레일(도면에 도시되지 않음)을 따라 좌우 방향으로 왕복 이동될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 분리막 공급부(40)는 스태킹 베이스(30)와 별개로 설정된 위치에서 롤 형태로 감긴 분리막(1)을 풀어내며 스태킹 베이스(30) 상으로 공급하기 위한 것이다.

상기 분리막 공급부(40)는 베이스 프레임(20)과 연결된 장착 프레임(41)의 설정된 위치에 설치되는 바, 언와인더(43)와 한 쌍의 텐션 롤러(47)를 포함하고 있다.

상기 언와인더(43)는 롤 형태로 감긴 분리막(1)의 원단을 풀어내는 것으로서, 장착 프레임(41)에 회전 가능하게 설치된다. 상기 한 쌍의 텐션 롤러(47)는 언와인더(43)를 통해 공급되는 분리막(1)을 가압하며 그 분리막(1)에 텐션을 인가하는 것이다.

상기 한 쌍의 텐션 롤러(47)는 장착 프레임(41)에 회전 가능하게 설치된다. 이러한 한 쌍의 텐션 롤러(47)는 스프링(도면에 도시되지 않음)의 탄성력에 의해 분리막(1)을 설정된 가압력으로 가압할 수 있다.

여기서, 상기 언와인더(43) 및 한 쌍의 텐션 롤러(47)는 장착 프레임(41)에 프리 회전 가능하게 설치될 수 있고, 어느 하나가 구동장치에 의해 구동 회전 가능하게 설치될 수도 있다. 그리고, 상기 언와인더(43)와 텐션 롤러(47) 사이에는 분리막(1)의 공급을 안내하는 안내 롤러(45)가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 전극판 공급부(50)는 스태킹 베이스(30) 상으로 공급되는 분리막(1)의 일면으로 양극판(3)을 공급하며, 그 분리막(1)의 다른 일면으로 음극판(5)을 공급하기 위한 것이다.

상기 전극판 공급부(50)는 스태킹 베이스(30)에 연결되게 설치되며, 공지 기술의 구동장치에 의해 상하 방향으로 이동될 수 있다. 그리고, 상기 전극판 공급부(50)는 장착 프레임(41)에 설치될 수도 있는데, 공지 기술의 구동장치에 의해 스태킹 베이스(30)와 동기화 하며 좌우 방향으로 이동될 수 있고, 상하 방향으로 이동될 수 있다.

이러한 전극판 공급부(50)는 별도 트레이에 적층된 양극판(3) 및 음극판(5)들을 진공 압으로 각각 흡착하며, 양극판(3)을 분리막(1)의 일면으로 공급할 수 있고, 음극판(5)을 분리막(1)의 다른 일면으로 공급할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 그리퍼(61, 62)는 스태킹 베이스(30)의 좌우 이동에 따른 분리막(1)의 Z형 접힘을 유도(지지)하며, 전극판 공급부(50)에 의해 분리막(1)의 접힘 구간 사이로 각각 공급된 양극판(3)과 음극판(5)의 양측을 가압하기 위한 것이다.

상기 그리퍼(61, 62)는 스태킹 베이스(30)에 전후 및 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되는 바, 한 쌍으로서 상호 교번되게 전후 및 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다. 여기서, 상기 그리퍼(61, 62)는 통상적인 서보 모터 및 구동 실린더 등과 같은 구동장치를 통해 전후 및 상하 방향으로 왕복 이동될 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치에 적용되는 그리퍼 부위를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 그리퍼(61, 62)는 스태킹 베이스(30) 상의 좌우 측에 각각 구비되는 바, 이하에서는 도면에서의 좌측에 위치하는 그리퍼를 제1 그리퍼(61)라고 하며, 우측에 위치하는 그리퍼를 제2 그리퍼(62)라고 한다.

상기 제1 그리퍼(61)는 스태킹 베이스(30)의 일측에서 분리막(1)을 지지하며, 그 스태킹 베이스(30)의 좌우 이동에 따라 분리막(1)의 일측 접힘 부분(f1)을 형성하고, 그 분리막(1)의 접힘 구간을 사이에 두고 상하 측에 위치하는 양극판(3)과 음극판(5)의 일측을 가압할 수 있다.

그리고, 상기 제2 그리퍼(62)는 스태킹 베이스(30)의 다른 일측에서 제1 그리퍼(61)와 상호 교번적으로 분리막(1)을 지지하며, 그 스태킹 베이스(30)의 좌우 이동에 따라 분리막(1)의 타측 접힘 부분(f2)을 형성하고, 그 분리막(1)의 접힘 구간을 사이에 두고 상하 측에 위치하는 양극판(3)과 음극판(5)의 다른 일측을 가압할 수 있다.

더 나아가, 상기 제1 그리퍼(61)의 최 외측 단부(도면에서의 좌측 단부) 및 제2 그리퍼(62)의 최 외측 단부(도면에서의 우측 단부)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 나이프 삽입 홈(65)들이 분리막(1)의 폭 방향을 따라 연속적으로 형성되어 있다.

상기 나이프 삽입 홈(65)들은 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)의 최 외측 단부에 분리막(1)의 폭 방향을 따라 설정된 간격을 두고 연속적으로 형성될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 펀치 어셈블리(71, 72)는 스태킹 베이스(30)의 좌우 이동 및 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)를 통해 분리막(1)을 Z형으로 접는 과정에, 그 분리막(1)의 접힘 부분(f1, f2)을 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)의 나이프 삽입 홈(65)들을 통하여 분리막(1)의 폭 방향을 따라 펀칭하기 위한 것이다.

상기 펀치 어셈블리(71, 72)는 스태킹 베이스(30)를 사이에 두고 각각의 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)에 대응하여 장착 브라켓(73)을 통해 베이스 프레임(20)에 한 쌍으로 설치되는 바, 이하에서는 제1 그리퍼(61)에 대응하는 펀치 어셈블리를 제1 펀치 어셈블리(71)라고 하며, 제2 그리퍼(62)에 대응하는 펀치 어셈블리를 제2 펀치 어셈블리(72)라고 한다.

이러한 제1 및 제2 펀치 어셈블리(71, 72)는 스태킹 베이스(30)를 사이에 두고 베이스 프레임(20)에 좌우 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 나이프부재(75)를 각각 포함하고 있다.

상기 나이프부재(75)는 각각의 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)에 접하는 분리막(1)의 접힘 부분(f1, f2)을 분리막(1)의 폭 방향을 따라 실질적으로 펀칭하는 것으로서, 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)의 나이프 삽입 홈(65)들과 암수 식으로 상호 결합될 수 있다.

이러한 나이프부재(75)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)의 나이프 삽입 홈(65)들에 대응하여 분리막(1)의 폭 방향을 따라 연속적으로 구비되는 나이프 돌기(77)들을 포함하고 있다.

상기 나이프 돌기(77)들은 나이프부재(75)에 분리막(1)의 폭 방향을 따라 설정된 간격을 두고 연속적으로 구비되는 바, 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)의 나이프 삽입 홈(65)에 삽입될 수 있는 예리한 돌기 형태로 구비된다.

상기 나이프 돌기(77)들은 나이프부재(75)의 좌우 및 상하 이동에 의해 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)의 나이프 삽입 홈(65)에 삽입되며, 분리막(1)의 접힘 부분(f1, f2)을 분리막(1)의 폭 방향을 따라 펀칭할 수 있다.

즉, 상기 나이프부재(75)는 분리막(1)의 Z형 접힘 층수를 따라 상측 방향으로 이동함과 아울러 좌우 방향으로 이동하면서 나이프 돌기(77)들을 분리막(1)의 접힘 부분(f1, f2)과 접하고 있는 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)의 나이프 삽입 홈(65)들에 삽입함으로써, 분리막(1)의 접힘 부분(f1, f2)을 그 분리막(1)의 폭 방향을 따라 펀칭할 수 있다.

이를 위해 상기 제1 및 제2 펀치 어셈블리(71, 72)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 이동부재(81)와 제2 이동부재(82)를 더 포함하고 있다. 상기 제1 이동부재(81)는 제1 구동원(83)을 통해 베이스 프레임(20)에 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다. 그리고, 상기 제2 이동부재(82)는 제2 구동원(85)을 통해 제1 이동부재(81)에 좌우 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 나이프부재(75)와 결합된다.

여기서, 상기 제1 구동원(83)은 장착 브라켓(73)에 설치되는 바, 공지 기술의 서보 모터(87)와, 그 서보 모터(87)의 회전력을 직선 운동으로 변환하는 리드(또는 볼) 스크류 및 가이드부재(가이드 레일 또는 가이드 봉) 등을 갖춘 공지 기술의 가이드 구조체(88)를 포함할 수 있다. 상기 제1 구동원(83)은 서보 모터(87)의 구동으로 가이드 구조체(88)를 통해 제1 이동부재(81)를 상하 방향으로 왕복 이동시킬 수 있다.

그리고, 상기 제2 구동원(85)은 제1 이동부재(81)에 설치되는 공지 기술의 작동 실린더(89)를 포함할 수 있다. 상기 작동 실린더(89)는 작동 로드를 통해 제2 이동부재(82)와 연결되며, 그 작동 로드의 전후진 작동으로 제2 이동부재(82)를 통해 나이프부재(75)를 좌우 방향으로 왕복 이동시킬 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치(100)를 이용한 이차 전지용 전극 조립체의 제조방법을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체 제조장치를 이용하여 이차 전지용 전극 조립체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서는 좌우로 이격된 개별 트레이(도면에 도시되지 않음)에 양극판(3)들과 음극판(5)들을 각각 쌓아 두고, 설정된 위치에서 분리막 공급부(40)를 통해 분리막(1)을 스태킹 베이스(30) 상으로 공급할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서는 상기 스태킹 베이스(30)를 좌우 방향으로 이동시키면서 제1 및 제2 그리퍼(61, 62)를 통해 분리막(1)을 지그재그 형태로 접고, 그 분리막(1)의 접힘 구간 사이에 양극판(3)과 음극판(5)을 전극판 공급부(50)를 통해 순차적으로 교번되게 적층할 수 있다.

부연 설명하면, 본 발명의 실시 예에서는 하기에서와 같은 과정을 반복하며 전극 조립체(10)를 제조할 수 있다.

우선, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 장착 프레임(41)의 설정된 위치에서 분리막 공급부(40)를 통해 분리막(1)을 스태킹 베이스(30) 측으로 공급한 상태에서, 제1 그리퍼(61)를 통해 분리막(1)을 지지한다.

이 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 스태킹 베이스(30)를 좌측 방향으로 이동시킨다. 이 때, 상기 제1 그리퍼(61)는 전진 이동 및 하강하며 분리막(1)을 지지하고, 제2 그리퍼(62)는 후진 이동 및 상승한 상태에 있다.

그러면, 상기 분리막(1)은 텐션 롤러(47)를 통해 텐션을 유지하면서 언와인더(43)로부터 풀려지는데, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 그리퍼(61)에 의해 분리막(1)의 Z형 접힘이 유도되면서 그 분리막(1)에 일측 접힘 부분(f1)을 형성한다.

상기한 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 제1 펀치 어셈블리(71)의 나이프부재(75)를 제1 구동원(83)을 통해 분리막(1)의 Z형 접힘 층수를 따라 상측 방향으로 이동시키며, 제2 구동원(85)을 통해 제1 그리퍼(61) 측(우측 방향)으로 이동시킨다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 상기 나이프부재(75)의 나이프 돌기(77)들을 분리막(1)의 일측 접힘 부분(f1)과 접하고 있는 제1 그리퍼(61)의 나이프 삽입 홈(65)들에 삽입함으로써, 나이프 돌기(77)들을 통해 일측 접힘 부분(f1)을 펀칭하며, 그 일측 접힘 부분(f1)에 펀치 홀(91)들을 형성한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 그리퍼(61)를 후진 이동 및 상승시킨 상태에서, 전극판 공급부(50)를 통해 양극판(3)을 분리막(1)의 접힘 구간 상(분리막의 일면)에 적층하고, 제2 그리퍼(62)를 전진 및 하강시키며 양극판(3)을 가압한다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제2 그리퍼(62)를 통해 분리막(1)을 지지한 상태에서, 스태킹 베이스(30)를 우측 방향으로 이동시킨다. 이 때, 상기 제1 그리퍼(61)는 후진 이동 및 상승한 상태에 있다.

그러면, 상기 분리막(1)은 텐션 롤러(47)를 통해 텐션을 유지하면서 언와인더(43)로부터 풀려지는데, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제2 그리퍼(62)에 의해 분리막(1)의 Z형 접힘이 유도되면서 그 분리막(1)에 타측 접힘 부분(f2)을 형성한다.

상기한 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 제2 펀치 어셈블리(72)의 나이프부재(75)를 제1 구동원(83)을 통해 분리막(1)의 Z형 접힘 층수를 따라 상측 방향으로 이동시키며, 제2 구동원(85)을 통해 제2 그리퍼(62) 측(좌측 방향)으로 이동시킨다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 상기 나이프부재(75)의 나이프 돌기(77)들을 분리막(1)의 타측 접힘 부분(f2)과 접하고 있는 제2 그리퍼(62)의 나이프 삽입 홈(65)들에 삽입함으로써, 나이프 돌기(77)들을 통해 타측 접힘 부분(f2)을 펀칭하며 그 타측 접힘 부분(f2)에 펀치 홀(91)들을 형성한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제2 그리퍼(62)를 후진 이동 및 상승시킨 상태에서, 전극판 공급부(50)를 통해 음극판(5)을 분리막(1)의 접힘 구간 상(분리막의 다른 일면)에 적층하고, 제1 그리퍼(61)를 전진 및 하강시키며 음극판(5)을 가압한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 일련의 과정을 반복하며 도 9에 도시된 바와 같이, 분리막(1)이 지그재그(Z 폴딩)로 접힌 형태를 이루며, 그 분리막(1)의 접힘 구간 사이사이에 양극판(3)과 음극판(5)이 순차적으로 교번되게 적층된 전극 조립체(10)의 제조가 완료된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 전극 조립체(10)는 Z 폴딩 방식으로 접힌 분리막(1)의 접힘 구간에서, 양극판(3)이 분리막(1)의 일면에 배치되며, 음극판(5)이 분리막(1)의 다른 일면에 배치된 단위 셀(7)을 포함하고 있으며, 이러한 단위 셀(7)이 다단으로 적층된 셀 스택으로 구성될 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 전극 조립체(10)는 각각의 단위 셀(7)에서 분리막(1)의 접힘 부분(f1, f2)에 폭 방향을 따라 설정된 간격을 두고 펀치 홀(91)들을 연속적으로 형성하고 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 전극 조립체(10)를 전지 케이스(95) 내에 삽입하고, 그 전지 케이스(95)의 내부로 전해액(97)을 주입하며, 그 전해액(97)에 단위 셀(7)들을 함침시킴으로써, 이차전지를 제조할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 전극 조립체(10)의 각 단위 셀(7)에서 분리막(1)의 접힘 부분(f1, f2)에 펀치 홀(91)들을 형성하고 있기 때문에, 분리막(1)의 적층 개방 단(전지의 양측 탭부)을 통해 전해액(97)이 단위 셀(7)들로 확산됨과 아울러, 펀치 홀(91)들을 통해서도 전해액(97)이 단위 셀(7)들로 확산될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 펀치 홀(91)들을 통하여 단위 셀(7)들에 대한 전해액(97)의 확산 경로를 증가시킴으로써, 단위 셀(7)들을 전해액(97)에 균일하게 함침시킬 수 있는 등 전해액(97)에 대한 단위 셀(7)들의 함침성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 단위 셀(7)들에 대한 전해액(97)의 함침 시간을 단축할 수 있으므로, 이차전지의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1: 분리막 3: 양극판
5: 음극판 7: 단위 셀
10: 전극 조립체 20: 베이스 프레임
30: 스태킹 베이스 40: 분리막 공급부
41: 장착 프레임 43: 언와인더
45: 안내 롤러 47: 텐션 롤러
50: 전극판 공급부 61: 제1 그리퍼
62: 제2 그리퍼 65: 나이프 삽입 홈
71: 제1 펀치 어셈블리 72: 제2 펀치 어셈블리
75: 나이프부재 77: 나이프 돌기
81: 제1 이동부재 82: 제2 이동부재
83: 제1 구동원 85: 제2 구동원
87: 서보 모터 88: 가이드 구조체
89: 작동 실린더 f1, f2: 접힘 부분
91: 펀치 홀 95: 전지 케이스
97: 전해액 100: 전극 조립체 제조장치

Claims

지그재그 형태로 접힌 분리막의 접힘 구간에 양극판과 음극판이 순차적으로 교번되게 적층된 이차 전지용 전극 조립체를 제조하는 전극 조립체 제조장치로서,
베이스 프레임에 좌우 방향으로 이동 가능하게 설치되는 스태킹 베이스;
상기 스태킹 베이스와 별개로 설정된 위치에서 롤 형태로 감긴 분리막을 풀어내며 상기 스태킹 베이스 상으로 공급하는 분리막 공급부;
상기 분리막의 일면으로 양극판을 공급하며, 상기 분리막의 다른 일면으로 음극판을 공급하는 전극판 공급부;
상기 스태킹 베이스에 전후 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 분리막의 Z형 접힘을 유도하고, 상기 전극판 공급부에 의해 분리막의 접힘 구간으로 공급된 상기 양극판과 음극판의 양측을 가압하는 그리퍼; 및
상기 베이스 프레임에 좌우 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 나이프부재를 포함하며, 상기 그리퍼에 접하는 상기 분리막의 접힘 부분을 상기 나이프부재를 통해 상기 분리막의 폭 방향을 따라 펀칭하는 펀치 어셈블리;
를 포함하는 전극 조립체 제조장치.
제1 항에 있어서,
상기 그리퍼는,
한 쌍으로서 상호 교번되게 전후 및 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 분리막의 접힘 부분을 형성하는 전극 조립체 제조장치.
제2 항에 있어서,
상기 그리퍼는,
상기 펀치 어셈블리에 대응하는 일측에 상기 분리막의 폭 방향을 따라 연속적으로 형성되며, 상기 나이프부재와 결합되는 나이프 삽입 홈들
을 포함하는 전극 조립체 제조장치.
제2 항에 있어서,
상기 펀치 어셈블리는 상기 각 그리퍼에 대응하여 상기 베이스 프레임에 한 쌍으로 구비되며,
상기 나이프부재는 상기 각 그리퍼에 대응하여 상기 분리막의 폭 방향을 따라 연속적으로 구비되는 나이프 돌기들을 포함하는 전극 조립체 제조장치.
제4 항에 있어서,
상기 각 그리퍼에는,
상기 분리막의 폭 방향을 따라 설정된 간격을 두고 연속적으로 형성되며, 상기 나이프 돌기들과 결합하는 나이프 삽입 홈들이 구비되는 전극 조립체 제조장치.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펀치 어셈블리는,
제1 구동원을 통해 상기 베이스 프레임에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 제1 이동부재와,
제2 구동원을 통해 상기 제1 이동부재에 좌우 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 나이프부재와 결합되는 제2 이동부재
를 포함하는 전극 조립체 제조장치.
제6 항에 있어서,
상기 제1 구동원은 서보 모터를 포함하고, 상기 제2 구동원은 작동 실린더를 포함하는 전극 조립체 제조장치.
제1 항에 있어서,
상기 분리막 공급부는,
롤 형태로 감긴 상기 분리막의 원단을 풀어내는 언와인더와,
상기 언와인더를 통해 공급되는 상기 분리막을 가압하며, 상기 분리막에 텐션을 인가하는 한 쌍의 텐션 롤러
를 포함하는 전극 조립체 제조장치.
스태킹 베이스, 분리막 공급부, 전극판 공급부, 그리퍼, 그리고 펀치 어셈블리를 포함하는 청구항 1의 전극 조립체 제조장치를 이용하여 제조된 이차 전지용 전극 조립체로서,
상기 분리막 공급부를 통해 공급되는 분리막을 상기 그리퍼를 통해 지지하고, 상기 스태이 베이스를 좌우 방향으로 이동시키며, 상기 분리막을 지그재그 형태로 접고, 상기 전극판 공급부를 통해 상기 분리막의 접힘 구간에 양극판과 음극판을 순차적으로 교번되게 적층하며, 상기 그리퍼에 접하는 상기 분리막의 양측 접힘 부분을 펀치 어셈블리의 나이프부재를 통해 펀칭하여 제조되되,
상기 분리막의 접힘 부분에 상기 분리막의 폭 방향을 따라 펀치 홀들이 설정된 간격을 두고 연속적으로 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
제9 항에 있어서,
상기 분리막을 사이에 두고 상기 분리막의 일면에 양극판이 위치하며, 상기 분리막의 다른 일면에 음극판이 위치하고 있는 다수의 단위 셀들이 전지 케이스 내부에 배치되고,
상기 전지 케이스의 내부에서 상기 분리막의 양측 개방부 및 상기 펀치 홀들을 통해 상기 양극판과 음극판에 전해액이 함침된 이차 전지용 전극 조립체.