KR20210033328A

KR20210033328A - 저전압 불량 파우치형 이차전지 셀을 검출하기 위한 가압 단락 검사장치

Info

Publication number: KR20210033328A
Application number: KR1020190114920A
Authority: KR
Inventors: 김진곤; 구자훈; 정수택; 표정관
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-26
Also published as: KR102509603B1; EP3907809A1; JP7106798B2; EP3907809A4; JP2022514578A; US20220065948A1; US11959974B2; EP3907809B1; WO2021054605A1; CN113711071A; CN113711071B

Abstract

본 발명에 따른 가압 단락 검사장치는 이차전지 셀들을 적어도 하나씩 삽입할 수 있게 상호 간 소정의 이격 거리를 두고 배열되며 상기 이격 거리가 조절되게 ±X축 방향으로 이동되는 압착 플레이트들; 및 상기 이차전지 셀의 바디 중 미리 정해진 영역을 가압하는 셀 가압부와 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉되어 테스트 전압을 인가하는 전원 공급부를 구비하고, 상기 압착 플레이트들 각각에 ±Y축 방향을 따라 이동 가능하게 장착되는 가압 단락 검사조립체들을 포함한다.

Description

저전압 불량 파우치형 이차전지 셀을 검출하기 위한 가압 단락 검사장치{Apparatus for detecting a low voltage pouch type secondary battery cell}

본 발명은, 저전압 불량 이차전지 셀을 검출하기 위한 장치로서, 보다 상세하게는 패키징 공정이 완료된 파우치형 이차전지 셀을 가압하고 전류를 인가해 저전압 불량 셀을 검출하는 가압 단락 검사장치에 관한 것이다.

최근 친환경 에너지원으로서 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

리튬 이차전지는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 전극조립체와, 전극조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.

상기 리튬 이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형) 및 이들의 혼합 형태인 스택/폴딩형으로 구분될 수 있다.

젤리-롤형 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. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에 적합하다.

스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이하다. 그리고 스택/폴딩형 전극조립체는 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀(bi-cell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩하여 제조된다. 상기 스택형 또는 스택 앤 폴딩형 전극조립체는 파우치형 이차전지에 적합하다.

한편, 제조가 완료된 이차전지가 자가 방전율 이상의 전압 강하 거동을 보이는 불량을 저전압 불량이라 하는데, 이는 전극 조립체 조립 과정에서 분리막의 찢김, 뚫림, 또는 접힘 등으로 인한 분리막 결함에서 비롯되는 것으로 파악된다.

상기 분리막은 양극판과 음극판의 물리적 접촉을 방지하는 전기적 절연체 역할을 하는 다공성 고분자로 이루어진 필름이다. 이러한 분리막이 절연체로서 제 기능을 하지 못하면 누설전류가 발생하는데, 이는 이차전지의 발화 원인이 되기도 한다.

상기 분리막의 결함 유형의 일 예로서, 도 1을 참조하면, 스택 앤 폴딩형 전극 조립체를 제조시 그립퍼(2)를 사용해 분리막(3)과 바이셀(4)을 파지하고 일 방향으로 폴딩시키는 폴딩 공정을 수행하는데, 이때 분리막(3) 가장자리 영역에서 분리막 찢김(5)이 많이 발생한다.

예컨대, 폴딩 완료후 그립퍼(2)를 취출(후진)시 그립퍼(2)의 응력 또는 그립퍼(2)에 묻어있는 이물에 의해 분리막(3)의 가장자리 영역이 찢기거나 구멍이 날 수 있다.

이외에도 전극 조립체 적층 과정에서 분리막의 모서리 영역이 안쪽으로 접혀서 해당 부분에서 양극판과 음극판이 바로 마주하게 되거나 양극판과 음극판에 전극판에 전극 탭을 용접시 발생할 수 있는 버(burr)로 인해 분리막에 구멍이 생길 수도 있다.

종래, 위와 같은 분리막 결함 여부를 검출하기 위한 방편으로 밭전(田)자 모양의 지그를 사용하여 이차전지 셀의 바디를 가압하면서 하이팟(hi-pot) 테스트를 통해 누설전류를 측정하여 저전압 불량 셀을 검출하였다.

그러나 현재 밭전(田)자 모양의 지그의 경우 셀의 바디를 누르는 압력이 약하여 분리막 결함 부위에 양극판과 음극판의 일시적 단락이 잘 유도되지 않아 정확한 검사가 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 따라서 가압 단락 검사에 사용할 수 있는 새로운 장비 개발이 필요하다.

한편, 이차전지 셀의 바디 전면을 가압해 주어 셀 내부 기포 제거 및 전해액의 젖음성(wetting)을 높이기 위한 셀 가압 공정이 있다. 상기 셀 가압 공정에 사용되는 지그 가압 장치는 종래의 가압 단락 검사장치와 다른 압력대로 이차전지 셀의 바디 전면을 눌러주는 것이어서 장비 사양 차이로 인해 가압 단락 검사 공정과 셀 가압 공정은 별개의 장치로 수행되고 있다.

따라서 현재 비용 절감 및 생산성 향상을 위해서 가압 단락 검사 공정뿐만 아니라 셀 가압 공정까지 한꺼번에 수행할 수 있는 신규 장비 개발이 이슈화되고 있다.

일본 특허공보 제4666712호 (2011.01.21.) PANASONIC CORP, TOYOTA MOTOR CORP

본 발명은 상기와 같은 기술적 배경을 고려하여 창안된 것으로서, 신뢰성 있는 가압 단락 검사 공정을 수행할 수 있는 가압 단락 검사장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 상기 가압 단락 검사장치로 가압 단락 검사 공정과 더불어 셀 가압 공정을 통합화함으로써 비용 절감 및 생산성 향상을 도모하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사장치는, 이차전지 셀들을 적어도 하나씩 삽입할 수 있게 상호 간 소정의 이격 거리를 두고 배열되며 상기 이격 거리가 조절되게 ±X축 방향으로 이동되는 압착 플레이트들; 및 상기 이차전지 셀의 바디 중 미리 정해진 영역을 가압하는 셀 가압부와 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉되어 테스트 전압을 인가하는 전원 공급부를 구비하고, 상기 압착 플레이트들 각각에 ±Y축 방향을 따라 이동 가능하게 장착되는 가압 단락 검사조립체들을 포함할 수 있다.

상기 셀 가압부는 적어도 일면에 볼들 구비하고, 상기 볼들에 의해 상기 이차전지 셀의 바디가 가압될 수 있다.

상기 셀 가압부는 상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 가압 패드를 포함하고, 상기 볼들은 상기 가압 패드에 부분적으로 매설될 수 있다.

상기 셀 가압부와 상기 전원 공급부는 일체로 이동하게 마련될 수 있다.

상기 셀 가압부는 상기 전원 공급부에 대해 ±Y축 방향을 따라 이동하게 상기 전원 공급부에 연결될 수 있다.

상기 가압 단락 검사조립체는, 상기 셀 가압부와 상기 전원 공급부를 하나의 몸체로 연결시키는 구조 강화 블록부를 더 포함할 수 있다.

상기 구조 강화 블록부는 상기 셀 가압부와 상기 전원 공급부의 상단부를 연결하고 상기 압착 플레이트의 상단에 슬라이드 이동하게 장착되는 어퍼 블록과, 상기 셀 가압부와 상기 전원 공급부의 하단부를 연결하고 상기 압착 플레이트의 하단에 슬라이드 이동하게 장착되는 로워 블록을 포함할 수 있다.

상기 어퍼 블록과 상기 로워 블록은 상기 압착 플레이트의 상단과 하단을 각각 구비되는 제1 LM 가이드 레일을 따라 슬라이드 이동 가능하게 마련된 제1 LM 슬라이더를 포함할 수 있다.

상기 어퍼 블록과 상기 로워블록은, 각각 상기 셀 가압부와 결합되어 있는 모션 블록; 및 상기 전원 공급부와 결합되어 있는 스테틱 블록을 포함하고, 상기 모션 블록은 상기 스테틱 블록 내외로 인출입하게 마련될 수 있다.

상기 스테틱 블록은 내부에 상기 모션 블록을 부분적으로 수용하는 실린더실과 외측에 상기 실린더실과 연통하는 공기 주입홀을 구비할 수 있다.

상기 압착 플레이트들의 하부에서 상기 압착 플레이트들을 ±X축 방향으로 이동 가능하게 지지하는 서포터 유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 서포터 유닛은, 상기 압착 플레이트들의 배열 방향을 따라 연장되고 상기 압착 플레이트들의 양단부 아래에 배치되는 서포터 블록; 상기 서포터 블록의 상단 라인을 따라 구비되는 제2 LM 가이드 레일; 및 상기 압착 플레이트들에 각각 결합하고 상기 제2 LM 가이드 레일을 따라 X축 방향으로 슬라이드 이동하게 연결되는 제2 LM 슬라이더들을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 가압 단락 검사조립체가 압착 플레이트의 상단 라인을 따라 좌우로 이동할 수 있게 구성되어 있어, 하나의 장치로 가압 단락 검사 공정과 그 후 에이징 공정 시간을 단축을 위한 셀 가압 공정을 이어서 수행할 수 있다.

즉, 가압 단락 검사장치로 2가지 공정을 통합할 수 있게 됨으로써 제품 생산성(Tact time) 향상 및 기존에 비해 관련 설비 구축에 따른 비용과 공간이 절약될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 파우치형 이차전지에서 분리막 손상이 우려되는 부위를 가압 단락 검사조립체로 집중적으로 가압하여 양극과 음극의 일시적 단락 상태를 유효하게 유도하고 테스트 전압을 인가할 수 있어 가압 단락 검사 공정의 신뢰성을 높일 수 있다.

특히, 분리막 손상 예상 부위에 대한 볼에 의한 포인트 가압으로 가압력을 증가시킴으로써 검사 정확성을 향상시킬 수 있다.

또한, 전원 공급부에 대해 셀 가압부의 위치를 이동시킴으로써 필요 시 분리막 손상 조사 대상 영역을 확대할 수 있다.

언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 스택 앤 폴딩 셀의 조립 과정 일부를 나타내는 참고도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사장치의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 평면도이다.
도 4는 도 2의 측면도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사조립체의 사시도이다.
도 6은 도 5의 가압 패드의 부분 확대도이다.
도 7는 도 5의 셀 가압부를 X축 방향으로 연장한 가압 단락 검사조립체의 사시도이다.
도 8은 도 7의 어퍼 블록 부분의 개략적인 단면도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사 공정과 셀 가압 공정을 설명하기 위한 참고 도면들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사조립체 조정유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 11의 A영역 확대도이다.
도 14는 서포터 유닛, 지지 샤프트, 무빙 블록들과 압착 플레이트들 간의 연결 구조를 나타내기 위한 부분 확대 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하에서 설명하는 본 발명에 따른 가압 단락 검사장치는, 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 이차전지 셀을 충방전하여 활성화시키기 위한 포메이션 공정 이전에 분리막 손상에 따른 저전압 불량 셀을 미리 검출해 내기 위한 장치를 의미한다.

또한, 본 발명에 따른 가압 단락 검사장치는, 자세히 후술하겠지만, 상기 저전압 불량 셀 검사 이후 전극 조립체의 전해액 함침성 촉진 목적으로 셀 바디 전면을 가압해주는 공정, 즉 셀 가압 공정에도 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사장치의 개략적인 구성을 도시한 사시도, 도 3과 도 4는 각각 도 2의 평면도와 측면도이다.

이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사장치(1)는 압착 플레이트(10), 가압 단락 검사조립체(20), 검사조립체 조정유닛(30) 및 서포터 유닛(40)을 포함한다.

압착 플레이트(10)들은 높은 열과 압력에도 변형이 없고 기계적 강성이 높은 판상체로서 이들 사이에 파우치형 이차전지 셀(6)들을 끼워넣고 그 양면을 가압해 줄 수 있게 구성된다. 상기 압착 플레이트(10)들은 금속 재질뿐만 아니라 기계적 강성이 높은 재질이라면 예컨대 강화 플라스틱, 강화 세라믹 또는 강화 유리 등으로 제작되어도 무방하다.

압착 플레이트(10)들은 상호 간 판면이 대향하고 각각 소정의 이격 거리를 두고 일 방향(X축 방향)으로 배열되며, 상기 이격 거리가 좁혀지거나 넓어지게 ±X축 방향을 따라 이동될 수 있다.

검사 대상 이차전지 셀(6)들은 트레이에 수납된 상태로 가압 단락 검사장치(1)가 구비되어 있는 작업 챔버로 이송되어 올 수 있고, 셀 픽업 장비(미도시)로 픽업되어 상기 압착 플레이트(10)들 사이 공간(S) 속에 하나씩 삽입 배치될 수 있다.

상기 이차전지 셀(6)들은 압착 플레이트(10)들 사이 공간(S)에 미리 개재되는 시트 형태의 간지(미도시)에 의해 일정 높이로 떠받혀 질 수 있고 압착 플레이트(10)들에 의해 양면이 가압될 수 있다.

가압 단락 검사조립체(20)의 주요 구성에 관한 설명에 앞서 가압 단락 검사방법에 대해 간략히 부연하면 다음과 같다.

전극조립체 조립시 분리막 손상 가능성이 가장 큰 부분은 분리막의 양쪽 가장자리 부분이다. (도 1 참조) 정상 분리막은 해당 부분을 가압해줘도 양극판과 음극판이 분리막에 의해 차단되기 때문에 서로 접촉하지 않지만 손상된 분리막은 해당 부분을 가압했을 때 분리막의 손상된 부분을 통해 양극판과 음극판이 서로 접촉하게 되어 쇼트가 발생할 수 있다.

이에 착안하여 가압 단락 검사 공정은 주로 분리막 손상이 빈번한 이차전지 셀(6) 바다의 양쪽 가장자리를 가압하고 일정한 테스트 전압을 인가한 후 누설 전류를 측정하여 양품 셀과 불량 셀을 구분하는 방식으로 진행될 수 있다.

상기 테스트 전압에 도달 시, 양품 셀의 경우 누설 전류가 거의 없어 전류가 안정화되나 불량 셀의 경우 가압 상태에서 쇼트가 발생하므로 테스트 전압을 유지하기 위해 증가한다. 이때 분리막 손상 정도에 비례해서 상기 누설 전류 값이 증가하는 양상을 보일 수 있다.

본 발명에 따른 가압 단락 검사조립체(20)는, 위와 같은 가압 단락 검사가 가능하도록, 분리막 손상 부위 즉, 셀 바디의 가장자리 부분에 집중적으로 압력을 가하는 동시에 테스트 전압을 인가할 수 있게 마련되어 있다.

상기 가압 단락 검사조립체(20)들은 압착 플레이트(10)들 하나당 2개씩 설치되어 상호 대칭적으로 동작할 수 있다.

구체적으로 도 5 및 도 6을 참조하면, 가압 단락 검사조립체(20)는 압착 플레이트(10)들 각각에 ±Y축 방향을 따라 이동 가능하게 장착되고 이차전지 셀(6) 바디 중 일부분을 가압하는 셀 가압부(21)와, 이차전지 셀(6)의 전극 리드(6a) 부분에 접촉되어 테스트 전압을 인가할 수 있게 마련된 전원 공급부(22)를 포함한다.

상기 이차전지 셀 바디 중 일부분은 이차전지 셀 조립 과정에서 분리막 손상 가능성이 가장 높은 곳으로서 이차전지 셀(6)의 바디에서 양쪽 끝 부분이 이에 해당할 수 있다. (여기서 상기 이차전지 셀(6)의 바디는 이차전지 셀의 두께를 형성하는 부분을 의미함)

셀 가압부(21)는 압착 플레이트(10)의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되고 그 폭이 셀 바디의 가장자리 영역에 대응하며 상하 방향으로 길게 연장 형성되는 가압 패드(21a)와, 상기 가압 패드(21a)에 부분적으로 매설되는 구 형상의 볼(21b)들을 포함한다.

상기 볼(21b)들은 예컨대, 각각 볼 홀더(21c)에 끼워 넣어지고 상기 볼 홀더(21c)를 가압 패드(21a)에 미리 형성되어 있는 홈들에 억지 끼움 방식으로 조립해서 가압 패드(21a) 상에 구비될 수 있다.

예컨대, 특정 용량의 가압 모터(M)를 사용해 압착 플레이트(10)로 이차전지 셀(6) 바디의 전면을 가압하면 단위 면적당 약 5kgt/cm2 압력이 작용하게 되지만 셀 가압부(21)를 상기 이차전지 셀 바디의 가장자리 위치로 옮겨 놓으면 상기 이차전지 셀(6) 바디의 가장자리 영역만 가압 패드(21a)에 의해 가압되기 때문에 해당 영역에 단위 면적당 약 34kgf/cm2 압력이 작용할 수 있다.

참고로, 상기 단위 면적당 약 5kgt/cm2의 압력은 셀 가압 공정시 필요한 압력이고 상기 단위 면적당 약 34kgf/cm2의 압력은 가압 단락 검사시 필요한 압력일 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 가압 패드(21a)에는 볼(21b)들이 구비되어 있어 셀 바디의 가장자리 영역이 포인트 가압되기 때문에 해당 영역의 가압력이 면 가압시에 비해 더 증가할 수 있다.

또한, 후술하겠으나 상기 가압 패드(21a) 상의 볼(21b)들은 정/역방향으로 회전할 수 있게 구성됨으로써 셀 바디를 가압한 상태에서 셀 가압부(21)를 전원 공급부(22)에 대해 ±Y축 방향을 따라 이동시킬 수 있다.

전원 공급부(22)는 압착 플레이트(10)의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 단자 지지대(22a)와 상기 단자 지지대(22a)들 중 적어도 어느 하나에 부착되는 전압 단자대(22b)를 포함하고 상기 셀 가압부(21)와 일체형으로 마련되어 셀 가압부(21)와 소정 간격을 두고 함께 이동할 수 있다.

상기 전원 공급부(22)는, 셀 가압부(21)가 이차전지 셀(6) 바디의 양면에 접촉할 때 전압 단자대(22b)가 전극 리드(6a)에 접촉할 수 있는 위치에 놓일 수 있다.

가압 단락 검사조립체(20)는 셀 진입 가이드(23)와 구조 강화 블록부(24)를 더 포함한다.

셀 진입 가이드(23)는 셀 가압부(21)와 전원 공급부(22)의 상부에 배치되고 이차전지 셀(6)이 타고 내려올 수 있는 경사면 또는 곡면 형상으로 마련될 수 있다.

이러한 셀 진입 가이드(23)는 셀 픽업 장비(미도시)로 이차전지 셀(6)들을 핍업해서 이차전지 셀(6)들을 압착 플레이트(10)들 사이 공간에 삽입할 때 상기 이차전지 셀(6)들이 올바른 위치에 삽입될 수 있도록 가이드하는 역할을 할 수 있다.

구조 강화 블록부(24)는 셀 가압부(21)와 전원 공급부(22)를 하나의 몸체로 연결하여 셀 가압부(21) 내지 전원 공급부(22)의 틸팅 현상을 방지하는 역할과 이들에 이동성을 제공하기 위한 구성 요소이다.

상기 구조 강화 블록부(24)는 어퍼 블록(25)과 로워 블록(26)을 포함한다.

상기 어퍼 블록(25)은 셀 가압부(21)와 전원 공급부(22)의 상단부를 연결하고 압착 플레이트(10)의 상단 라인을 따라 슬라이드 이동하게 상기 압착 플레이트(10)의 상단에 장착될 수 있다.

상기 로워 블록(26)은 셀 가압부(21)와 전원 공급부(22)의 하단부를 연결하고 압착 플레이트(10)의 하단 라인을 따라 슬라이드 이동하게 상기 압착 플레이트(10)의 하단에 장착될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5에 도시한 바와 같이, 어퍼 블록(25)과 로워 블록(26)에는 각각 제1 LM 슬라이더(27)가 마련될 수 있고 압착 플레이트(10)의 상단 라인과 하단 라인에는 (도 9 참조)상기 제1 LM 슬라이더(27)의 직선 이동 경로를 형성하는 제1 LM 가이드 레일(11,12)이 마련될 수 있다. 이 같은 구성으로, 어퍼 블록(25)과 로워 블록(26)이 압착 플레이트(10)에 대해 ±Y 축 방향을 따라 슬라이드 이동할 수 있다.

이러한 어퍼 블록(25)과 로워 블록(26)에 의해 셀 가압부(21)와 전원 공급부(22)가 연결되고 그 상단부와 하단부가 각각 지지되어 있어 상기 셀 가압부(21)와 전원 공급부(22)가 ±X 축 또는 ±Y 축 방향으로 안정적으로 이동할 수 있고, 이차전지 셀을 가압할 때 틸팅(tilting)되지 않게 된다.

본 발명에 따른 가압 단락 검사조립체(20)는 셀 가압부(21)가 전원 공급부(22)에 대해 ±Y축 방향을 따라 이동할 수 있다.

이를 위해, 어퍼 블록(25)과 로워 블록(26)은, 도 5 및 도 7 내지 도 8을 참조하면, 각각 상기 셀 가압부(21)와 결합되어 있는 모션 블록(25a,26a)과 상기 전원 공급부(22)와 결합되어 있는 스테틱 블록(25b,26b)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 모션 블록(25a,26a)은 소정의 길이를 가지고 그 일단은 셀 가압부(21)에 고정되고 그 타단은 스테틱 블록(25b,26b) 내부에 삽입되는 샤프트 형태로 마련될 수 있고, 상기 스테틱 블록(25b,26b)은 모션 블록(25a,26a)이 그 내부를 드나들 수 있도록 내부가 빈 공간으로 형성된 실린더실(25c)과 그 외측에 상기 실린더실(25c)과 연통하는 공기 주입홀(25d,25e)을 구비할 수 있다.

이를테면, 도 8에서, 1번 공기 주입홀(25d)을 통해 실린더실(25c)에 공기를 주입하게 되면 실린더의 공압이 정방향(-Y축 방향)으로 작용해 모션 블록(25a,26a)이 스테틱 블록(25b,26b) 밖으로 인출되고, 2 번 공기 주입홀(25e)을 통해 실린더실(25c)에 공기를 주입하게 되면 실린더의 공압이 역방향(+Y축 방향)으로 작용해 모션 블록(25a,26a)이 스테틱 블록(25b,26b) 안으로 인입될 수 있다. 즉, 모션 블록(25a,26a)은 공압에 의해 스테틱 블록(25b,26b) 내외로 왕복 운동할 수 있다. 물론, 공압 대신 유압을 사용해도 무방하다.

본 발명의 일 실시예는 상기 모션 블록(25a,26a)이 공압으로 작동하게 구성하였으나, 공압 이나 유압 방식 이외에도 상기 모션 블록(25a,26a)을 스테틱 블록(25b,26b)에 대해 왕복 운동시킬 수 있는 작동 메카니즘이라면 어떠한 방식을 적용해도 좋다.

상술한 바와 같은 구성과 작동에 의해, 가압 단락 검사조립체(20)는 셀 가압부(21)와 전원 공급부(22) 간의 이격 거리가 조절될 수 있어 가압 단락 검사할 수 있는 셀 바디의 범위가 확대될 수 있다.

즉, 도 9와 같이, 가압 단락 검사 공정은 셀 가압부(21)로 셀 바디의 가장자리 영역을 가압하고 전원 공급부(22)로 테스트 전압을 인가하여 이때의 누설 전류량을 측정하여 불량 여부를 판별하는 간이 검사 방식과, 도 10과 같이, 셀 가압부(21)를 셀 바디 가장자리와 셀 바디 중심 영역 사이에서 왕복 운동시키면서 누설 전류량을 측정하여 불량 여부를 판별하는 확대 검사 방식으로 수행될 수 있다.

상기 확대 검사 방식에서, 셀 가압부(21)는 상기 모션 블록(25a,26a)과 같이 왕복 운동하고, 가압 패드(21a)에 다수의 볼(21b)들이 매설되어 있어 왕복 이동시 셀 바디를 구름 가압할 수 있다. 본 실시예는 가압 패드(21a) 상에 볼(21b)을 채용하였으나, 상기 볼(21b)의 대안으로 롤러를 채용해도 좋다.

이러한 확대 검사 방식에 의하면, 불량 셀은 셀 바디가 구름 가압되는 동안에 누설 전류가 측정되는 셀이다. 그리고 상기 누설 전류가 측정된 시점과 가압 패드(21a)의 위치에 기초해 분리막 손상 위치도 가늠할 수 있다.

한편, 가압 단락 검사조립체(20)들은 전체가 일괄적으로 동시에 정밀하게 움직여야 올바른 검사가 가능하다. 이를 위해 본 발명의 가압 단락 검사장치(1)는 가압 단락 검사조립체(20)들을 일괄적으로 이동시키기 위해 검사조립체 조정유닛(30)을 더 포함할 수 있다.

도 2, 도 3과 도 12를 함께 참조하여 살펴보면, 상기 검사조립체 조정유닛(30)은, 가압 단락 검사장치(1)의 하우징을 형성하는 후방 프레임(36)의 바깥쪽에 위치할 수 있으며, 구동력을 제공하는 조정 모터(31)와, 상기 조정 모터(31)와 연결되고 수직 방향으로 연장 배치되는 수직 샤프트(32), 상기 수직 샤프트(32)와 베벨 기어로 연결되고 수평 방향으로 연장 배치되는 수평 샤프트들(33a~33d)과 상기 수평 샤프트들(33a~33d)에 좌우로 이동 가능하게 연결되는 조정 LM블록들(34a~34d)을 포함할 수 있다.

상기 수평 샤프트들(33a~33d)은 상기 수직 샤프트(32)를 기준으로 상부 영역에서 좌우로 각각 연장 배치되는 제1 수평 샤프트(33a)와 제2 수평 샤프트(33b), 상기 수직 샤프트(32)를 기준으로 하부 영역에서 좌우로 각각 연장 배치되는 제3 수평 샤프트(33c)와 제4 수평 샤프트(33d)를 포함한다.

그리고 상기 조정 LM블록들(34a~34d)은 상기 제1 수평 샤프트(33a)에 연결되는 제1 조정 LM블록(34a), 상기 제2 수평 샤프트(33b)에 연결되는 제2 조정 LM블록(34b), 상기 제3 수평 샤프트(33c)에 연결되는 제3 조정 LM블록(34c), 상기 제4 수평 샤프트(33d)에 연결되는 제4 조정 LM블록(34d)을 포함한다.

상기 제1 및 제2 조정 LM블록(34a,34b)은 가압 단락 검사조립체(20)들의 어퍼 블록(25)들과 X축 방향으로 연장 배치되는 제1 및 제2 조정 샤프트(미도시)를 매개로 연결될 수 있고, 상기 제3 및 제4 조정 LM블록(34c,34d)은 가압 단락 검사조립체(20)들의 로워 블록(26)과 X축 방향으로 연장 배치되는 제3 및 제4 조정 샤프트(미도시)를 매개로 연결될 수 있다.

도시하지 않았으나, 상기 제1 내지 제4 조정 샤프트는 각각 일측이 제1 내지 제4 조정 LM 블록(34a~34d)에 대응하게 결합되고 상기 후방 프레임(36)의 가이드홀(35)들을 통과하고 어퍼 블록(25)의 바디 또는 로워 블록(26)의 바디에 구비되는 통공(H1,H2)을 통과하게 마련될 수 있다.

따라서 모든 가압 단락 검사조립체(20)들은 조정 모터(31)에 의해 좌우로 이동하게 되는 제1 내지 제4 조정 블록(34a~34d)에 연결되어 일대일 대응하는 압착 플레이드들에 대해 좌우로 (±Y 축 방향)으로 일괄적으로 이동할 수 있다.

이러한 검사조립체 조정유닛(30)에 의하면, 가압 단락 공정 스텝 진행시 상기 셀 가압부(21)가 검사 대상 이차전지 셀(6)의 바디와 대면하게 되는 제1 포지션으로 가압 단락 검사조립체(20)들을 일괄적으로 이동시킬 수 있고, 가압 단락 공정 스텝 완료 후에는 이차전지 셀(6)의 바디와 비대면하게 되는 제2 포지션으로 가압 단락 검사조립체(20)들을 다시 일괄적으로 이동시킬 수 있다.

본 실시예에 따른 가압 단락 검사장치(1)는, 도 2, 도 11 및 도 13 내지 도 14를 참조하면, 압착 플레이트(10)들의 하부에서 압착 플레이트(10)들을 X축 방향으로 이동 가능하게 지지하는 서포터 유닛(40)을 더 포함할 수 있다.

상기 서포터 유닛(40)은 상기 압착 플레이트(10)들의 배열 방향을 따라 연장되고 상기 압착 플레이트(10)들의 양단부 아래에 각각 배치되는 한 쌍의 서포터 블록(41)과 상기 서포터 블록(41)의 상단 라인을 따라 구비되는 제2 LM 가이드 레일(43), 그리고 압착 플레이트(10)들에 각각 결합하고 상기 제2 LM 가이드 레일(43)을 따라 ±X축 방향으로 슬라이드 이동하게 연결되는 제2 LM 슬라이더(45)들로 구성될 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 서포터 유닛(40)에 의하게 되면, 압착 플레이트(10)들이 기립된 상태에서 안정적으로 ±X축 방향으로 슬라이드 이동할 수 있게 된다.

또한, 가압 단락 검사장치(1)는, 압착 플레이트(10)들에 대해 양쪽 사이드 영역에 X축 방향을 따라 연장 배치되는 지지 샤프트(50), 상기 압착 플레이트(10)들의 양쪽 사이드 영역에 배치되고 상기 지지 샤프트(50)가 몸체를 통과하며 상기 압착 플레이트(10)들과 일대일로 결합하는 무빙 블록(60)들, 그리고 무빙 블록(60)들을 상호 간 연결하는 링크 부재(70)들을 더 포함할 수 있다.

각각의 상기 무빙 블록(60)들은 압착 플레이트(10)들의 양쪽 사이드 영역을 잡고 지지 샤프트(50)를 따라 ±X축 방향 이동할 수 있다. 무빙 블록(60)들의 부드러운 움직임을 위해 무빙 블록(60)들과 지지 샤프트(50)가 연결되는 부분에는 베어링들이 구비될 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 각각의 압착 플레이트(10)들은 양쪽 사이드 영역이 상기 무빙 블록(60)들과 지지 샤프트(50)에 의해 지지되어 구동시 좌우 방향으로 틸팅되지 않게 된다. 또한, 무빙 블록(60)들은 링크 부재(70)들에 의해 상호 간 연결될 수 있기 때문에 압착 플레이트(10)들이 상호 간 일정 간격을 유지하며 일체로 움직일 수 있다.

또한, 도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 본 실시예의 가압 단락 검사장치(1)는 상기 압착 플레이트(10)들을 ±X축 방향으로 밀거나 당겨주는 메인 압착 플레이트(80), 그리고 상기 메인 압착 플레이트(80)들로부터 상기 압착 플레이트(10)들에 전달되는 가압력을 흡수하는 완충 유닛(90)을 더 포함할 수 있다.

메인 압착 플레이트(80)는 압착 플레이트(10)들의 배열 방향에 따른 상기 압착 플레이트(10)들 중 최전방에 위치한 압착 플레이트(10)와 일면이 대면하게 연결되고, 메인 압착 플레이트(80)의 코너 영역에 TM 스크류 샤프트(82,83)들이 통과한다.

상기 TM 스크류 샤프트(82,83)들은 압착 플레이트(10)들의 배열 방향에 따라 연장 배치되고 상기 TM 스크류 샤프트(82,83)들의 일단이 가압 모터(M)에 의해 정역방향으로 회전하는 기어(G)들에 연결되어 있어 정역방향으로 회전할 수 있다.

메인 압착 플레이트(80)는 이러한 TM 스크류 샤프트(82,83)들의 정역방향 회전시 전진 또는 후진할 수 있다. 예컨대, 상기 TM 스크류 샤프트(82,83)들을 정방향으로 회전시키면 메인 압착 플레이트(80)가 전진하면서 압착 플레이트(10)들을 +X축 방향으로 완충 유닛(90)을 향해 밀게 된다. 이에 따라 메인 압착 플레이트(80)와 완충 유닛(90) 사이의 압착 플레이트(10)들 간의 간격이 점점 좁혀지면서 이차전지 셀(6)들이 가압되게 된다.

반대로 상기 TM 스크류 샤프트(82,83)들을 역방향으로 회전시키면 메인 압착 플레이트(10)(80)가 후진하면서 최전방의 압착 플레이트(10)를 -X축 방향으로 당기게 된다. 이때 압착 플레이트(10)들은 링크 부재(70)들로 서로 연결되어 있어 최전방의 압착 플레이트(10)만 당겨도 모든 압착 플레이트(10)들이 당겨져 -X축 방향으로 이동하게 된다.

한편, 상기 완충 유닛(90)은 압착 플레이트(10)들 중 최후방에 위치한 압착 플레이트(10)와 대면하게 연결되는 제1 완충 플레이트(91) 및 제1 완충 플레이트(91)와 탄성 부재(92)들을 사이에 두고 상호 대면하게 이격 배치되는 제2 완충 플레이트(93)를 포함할 수 있다.

이러한 구성의 완충 유닛(90)에 의하면, 메인 압착 플레이트(10)(80)에 의해 +X축 방향으로 밀려드는 압착 플레이트(10)들을 탄성적으로 지지할 수 있어 압착 플레이트(10)들이 받게 되는 충격을 효과적으로 완화시킬 수 있다.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사장치(1)를 사용하면 가압 단락 검사 공정과 셀 가압 공정을 통합할 수 있다. 이하에서는 이러한 가압 단락 검사장치(1)의 활용 방법을 간단히 정리하여 설명한다.

조립 공정 후 불량 셀에 대한 후속 공정은 로스(loss)일 뿐이다. 그러므로 이차전지 셀(6)의 조립 공정이 완료된 직후 바로 가압 단락 검사 공정을 실시하여 불량 셀을 검출해 내는 것이 바람직하다.

먼저, 가압 단락 검사 공정 스텝을 진행시, 도 9와 같이, 가압 단락 검사조립체(20)들을 Y축 방향에 따른 압착 플레이트(10)들의 안쪽으로 이동시켜 제1 포지션에 놓는다. 여기서 상기 제1 포지션은 검사 대상 이차전지 셀(6)의 바디 양쪽 가장자리와 가압 패드(21a)들이 대면하게 되는 위치를 의미한다.

그 다음, 가압 모터(M)를 작동시켜 이차전지 셀(6)들의 가장자리 부분을 약 34kgf/cm2의 압력으로 집중적으로 가압하고 테스트 전압을 인가하여 누설전류가 발생하는지 여부를 파악하여 불량 셀을 검출해낸다.

위와 같은 방식으로 가압 단락 검사 공정이 완료되면 계속하여 셀 가압 공정을 바로 실시한다. 상기 셀 가압 공정은 이차전지 셀(6) 바디 전면을 가압하여 내부 기포를 제거해서 프리 에이징 시간을 단축시키기 위한 공정이다. 셀 가압 공정을 수행하면 셀 가압 공정을 수행하지 않았을 때에 비해 프리-에이징(pre-aging)에 소요되는 시간을 대략 1~2일 정도 단축시킬 수 있는 이점이 있다.

셀 가압 공정을 수행할 때는, 도 11과 같이 가압 단락 검사조립체(20)들을 Y축 방향에 따른 압착 플레이트(10)들의 바깥쪽으로 이동시켜 제2 포지션에 놓는다. 여기서 상기 제2 포지션은 가압 단락 검사를 마친 이차전지 셀(6)과 가압 단락 검사조립체(20)가 비대면하는 위치를 의미한다.

그 다음, 다시 가압 모터(M)를 작동시켜, 이차전지 셀(6) 바디의 전면을 압착 플레이트(10)들로 온전히 가압한다. 이때 이차전지 셀(6) 바디의 전면을 약 5kgf/cm2 압력으로 미리 설정된 시간 동안 가압한다.

이상과 같이, 본 실시예에 따른 가압 단락 검사장치(1)에 따르면, 서로 다른 압력대가 필요한 가압 단락 검사 공정과 셀 가압 단락 공정을 하나 장치로 통합하여 수행할 수 있으므로 택트 타임(Tact Time)이 단축될 수 있고 생산 설비 구축에 필요한 공간과 비용이 절감될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

10 : 압착 플레이트 11,12 : 제1 LM 가이드 레일
20 : 가압 단락 검사조립체 21 : 셀 가압부
21a : 가압 패드 21b : 볼
22 : 전원 공급부 22a : 단자 지지대
22b : 전압 단자대 23 : 셀 진입 가이드
24 : 구조 강화 블록부 25 : 어퍼 블록
26 : 로워 블록 25a,26a : 모션 블록
25b,26b : 스테틱 블록 27 : 제1 LM 슬라이더
30 : 검사조립체 조정유닛 31 : 조정 모터
40 : 서포터 유닛 41 : 서포터 블록
43 : 제2 LM 가이드 레일 45 : 제2 LM 슬라이더
50 : 지지 샤프트 60 : 무빙 블록
70 : 링크 부재 80 : 메인 압착 플레이트
90 : 완충 유닛

Claims

분리막 손상에 따른 저전압 불량 파우치형 이차전지 셀을 검출하기 위한 가압 단락 검사장치로서,
이차전지 셀들을 적어도 하나씩 삽입할 수 있게 상호 간 소정의 이격 거리를 두고 배열되며 상기 이격 거리가 조절되게 ±X축 방향으로 이동되는 압착 플레이트들; 및
상기 이차전지 셀의 바디 중 미리 정해진 영역을 가압하는 셀 가압부와 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉되어 테스트 전압을 인가하는 전원 공급부를 구비하고, 상기 압착 플레이트들 각각에 ±Y축 방향을 따라 이동 가능하게 장착되는 가압 단락 검사조립체들을 포함하며,
상기 셀 가압부는 적어도 일면에 볼들 구비하고, 상기 볼들에 의해 상기 이차전지 셀의 바디가 가압되는 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제1항에 있어서,
상기 셀 가압부는,
상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 가압 패드를 포함하고, 상기 볼들은 구형으로 상기 가압 패드에 부분적으로 매설된 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제1항에 있어서,
상기 셀 가압부와 상기 전원 공급부는 일체로 이동하게 마련되는 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제1항에 있어서,
상기 셀 가압부는 상기 전원 공급부에 대해 ±Y축 방향을 따라 이동하게 상기 전원 공급부에 연결된 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제1항에 있어서,
상기 가압 단락 검사조립체는,
상기 셀 가압부와 상기 전원 공급부를 하나의 몸체로 연결시키는 구조 강화 블록부를 더 포함하고,
상기 구조 강화 블록부는,
상기 셀 가압부와 상기 전원 공급부의 상단부를 연결하고 상기 압착 플레이트의 상단에 슬라이드 이동하게 장착되는 어퍼 블록과, 상기 셀 가압부와 상기 전원 공급부의 하단부를 연결하고 상기 압착 플레이트의 하단에 슬라이드 이동하게 장착되는 로워 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제5항에 있어서,
상기 어퍼 블록과 상기 로워 블록은 상기 압착 플레이트의 상단과 하단을 각각 구비되는 제1 LM 가이드 레일을 따라 슬라이드 이동 가능하게 마련된 제1 LM 슬라이더를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제5항에 있어서,
상기 어퍼 블록과 상기 로워블록은, 각각
상기 셀 가압부와 결합되어 있는 모션 블록; 및 상기 전원 공급부와 결합되어 있는 스테틱 블록을 포함하고,
상기 모션 블록은 상기 스테틱 블록 내외로 인출입하게 마련된 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제7항에 있어서,
상기 스테틱 블록은 내부에 상기 모션 블록을 부분적으로 수용하는 실린더실과 외측에 상기 실린더실과 연통하는 공기 주입홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제1항에 있어서,
상기 압착 플레이트들의 하부에서 상기 압착 플레이트들을 ±X축 방향으로 이동 가능하게 지지하는 서포터 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.
제7항에 있어서,
상기 서포터 유닛은,
상기 압착 플레이트들의 배열 방향을 따라 연장되고 상기 압착 플레이트들의 양단부 아래에 배치되는 서포터 블록;
상기 서포터 블록의 상단 라인을 따라 구비되는 제2 LM 가이드 레일; 및
상기 압착 플레이트들에 각각 결합하고 상기 제2 LM 가이드 레일을 따라 X축 방향으로 슬라이드 이동하게 연결되는 제2 LM 슬라이더들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 단락 검사장치.