KR20210111597A - 이차전지 전극 스태킹 장치 - Google Patents

이차전지 전극 스태킹 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양전극과 음전극을 분리막을 사이에 두고 순서대로 스태킹하는 Z-폴딩 방식의 스태킹 작업을 신속하게 정확하게 수행할 수 있는 이차전지 전극 스태킹 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 이차전지 전극 스태킹 장치는, 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극과 음전극이 순서대로 상면에 적층되는 적층 스테이지; 상기 적층 스테이지를 양전극 적층 위치와 음전극 적층 위치로 수평 이동시키는 스테이지 이동부; 상기 적층 스테이지의 좌측에 설치되며, 시계 방향으로 회전하며 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극을 회전이동시켜 상기 적층 스테이지에 적층하는 양전극 회전 적층부; 상기 적층 스테이지의 우측에 설치되며, 반시계 방향으로 회전하며 하면에 분리막이 부착되어 있는 음전극을 회전이동시켜 상기 적층 스테이지에 적층하는 음전극 회전 적층부; 상기 양전극 회전 적층부 좌측에 설치되며, 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극을 상기 양전극 회전 적층부의 전극 수취 위치에 하나씩 공급하는 양전극 공급부; 상기 음전극 회전 적층부 우측에 설치되며, 하면에 분리막이 부착되어 있는 음전극을 상기 음전극 회전 적층부의 전극 수취 위치에 하나씩 공급하는 음전극 공급부;를 포함한다.

Description

이차전지 전극 스태킹 장치{A APPARATUS FOR STACKING THE ELECTRODES OR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지 전극 스태킹 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양전극과 음전극을 분리막을 사이에 두고 순서대로 스태킹하는 Z-폴딩 방식의 스태킹 작업을 신속하게 정확하게 수행할 수 있는 이차전지 전극 스태킹 장치에 관한 것이다.
1차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 2차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차, 전기차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구와 생산이 진행 중이다. 2차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 2차 전지 등이 있다.
이와 같은 2차 전지 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다. 소형 2차 전지의 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 2차 전지의 경우에는 음극판, 양극판 및 분리막을 적절한 순서로 적층하여(stacking) 제작하는 방식이 많이 사용된다.
적층식으로 2차 전지 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 여러 가지가 있는데, 그 중 Z-폴딩(Z-folding, zigzag folding 또는 accordion folding이라고도 함) 방식에서는 분리막이 지그재그로 접힌 형태를 이루며 그 사이에 음극판 및 양극판이 교번되어 삽입된 형태로 적층되도록 한다.
이와 같은 Z-폴딩 적층 형태로 이루어지는 2차 전지 내부 셀 스택은 미국공개특허 제2005-0048361(공개일 2005.03.03, 명칭 : Stacked type lithium ion secondary batteries)호와 같이 이미 여러 선행기술들에 개시되어 있다.
Z-폴딩 적층 형태를 실제로 구현하기 위한 방법에서는 좌우로 이격된 개별 테이블에 음극판 및 양극판을 각각 쌓아 두고, 분리막 공급기 및 Z-폴딩 적층 방법이 좌우로 소정 거리만큼 함께 이동하면서 분리막을 지그재그 형태로 접되 다음과 같은 과정을 반복하거나 도 3에 도시된 바와 같이, 분리막(30)이 부착되어 있는 양극판(10)과 음극판(20)을 순차적으로 적층하여 제작한다.
그런데 종래에는 이러한 Z-폴딩 형태의 전극 스태킹 작업을 전극 이송장치가 수평 방향으로 전후진을 반복하는 방식으로 수행하여, 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 양전극과 음전극을 분리막을 사이에 두고 순서대로 스태킹하는 Z-폴딩 방식의 스태킹 작업을 신속하게 정확하게 수행할 수 있는 이차전지 전극 스태킹 장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 전극 스태킹 장치는, 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극과 음전극이 순서대로 상면에 적층되는 적층 스테이지; 상기 적층 스테이지를 양전극 적층 위치와 음전극 적층 위치로 수평 이동시키는 스테이지 이동부; 상기 적층 스테이지의 좌측에 설치되며, 시계 방향으로 회전하며 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극을 회전이동시켜 상기 적층 스테이지에 적층하는 양전극 회전 적층부; 상기 적층 스테이지의 우측에 설치되며, 반시계 방향으로 회전하며 하면에 분리막이 부착되어 있는 음전극을 회전이동시켜 상기 적층 스테이지에 적층하는 음전극 회전 적층부; 상기 양전극 회전 적층부 좌측에 설치되며, 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극을 상기 양전극 회전 적층부의 전극 수취 위치에 하나씩 공급하는 양전극 공급부; 상기 음전극 회전 적층부 우측에 설치되며, 하면에 분리막이 부착되어 있는 음전극을 상기 음전극 회전 적층부의 전극 수취 위치에 하나씩 공급하는 음전극 공급부;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 양전극 회전 적층부는, 중앙에 설치되어 시계 방향으로 회전하는 제1 회전축; 상기 제1 회전축에 일정한 각간격으로 이격되어 방사상으로 설치되는 다수개의 제1 회전팔; 상기 다수개의 제1 회전팔마다 설치되며, 그 상면에 상기 양전극을 흡착하여 수취하는 제1 전극 흡착부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 제1 회전팔은, 4개의 회전팔이 90°각 간격으로 이격되어 설치되는 구조를 가지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 음전극 회전 적층부는, 중앙에 설치되어 시계 방향으로 회전하는 제2 회전축; 상기 제2 회전축에 일정한 각간격으로 이격되어 방사상으로 설치되는 다수개의 제2 회전팔; 상기 다수개의 제2 회전팔마다 설치되며, 그 상면에 상기 음전극을 흡착하여 수취하는 제2 전극 흡착부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 제2 회전팔도, 4개의 회전팔이 90°각 간격으로 이격되어 설치되는 구조를 가지는 것이 바람직하다 .
또한 본 발명에 따른 이차전지 전극 스태킹 장치에는, 상기 적층 스테이지에는 상기 적층 스테이지 상에 적층되는 상기 양전극과 음전극을 고정하는 전극 그리퍼가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 이차전지 전극 스태킹 장치에는, 상기 제1 전극 흡착부가 상기 양전극 적층 위치로 이동한 상태에서 상기 적층 스테이지가 음전극 적층 위치로 수평 이동할 때까지 상기 제1 회전축의 회전을 정지하도록 제어하는 제어부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 이차전지 전극 스태킹 장치에 따르면 전극 이송장치가 수평 방향으로 전후진을 반복하는 방식으로 이차전지 전극을 스태킹하는 종래의 스태킹 장치에 비하여 양전극 회전적층부와 음전극 회전적층부가 동일한 방향으로 연속적으로 회전하면서 전극 스캐팅 작업을 수행하므로 2배 이상의 생산성 상승 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극 스태킹 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 이재 과정을 도시하는 도면이다.
도 3은 일반적인 전극 스태킹 상태를 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 이차전지 전극 스태킹 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 적층 스테이지(110), 스테이지 이동부(120), 양전극 회전적층부(130), 음전극 회전적층부(140), 양전극 공급부(150) 및 음전극 공급부(160)를 포함하여 구성된다.
먼저 상기 적층 스테이지(110)는 하면에 분리막(30)이 부착되어 있는 양전극(10)과 음전극(20)이 순서대로 그 상면에 적층되는 구성요소이다. 즉, 상기 적층 스테이지(110)는 상기 양전극(10)과 음전극(20)이 순서대로 스태킹(stacking)되는 공간을 제공하는 것이며, 전체적으로 평판 플레이트 형상을 가진다.
그리고 본 실시예에서 상기 적층 스테이지(110)에는 상기 적층 스테이지(110) 상에 적층되는 상기 양전극(10)과 음전극(20)을 이동 과정에서 고정하는 전극 그리퍼(도면에 미도시)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
다음으로 상기 스테이지 이동부(I20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 적층 스테이지(110)에 하측에 설치되어, 상기 적층 스테이지(110)를 양전극 적층 위치(P1)와 음전극 적층 위치(P2)로 수평 이동시키는 구성요소이다. 본 실시예에서 상기 양전극(10)이 적층되는 위치(P1)와 음전극(20)이 적층되는 위치(P2)가 서로 다르므로, 상기 적층 스테이지(110)는 양전극 적층시와 음전극 적층시에 각각 그 위치로 수평 이동하여야 한다.
따라서 상기 스테이지 이동부(120)가 상기 적층 스테이지(110)를 양전극 적층시와 음전극 적층시에 각각 양전극 적층 위치(P1)와 음전극 적층 위치(P2)로 이동시키는 것이다.
다음으로 상기 양전극 회전적층부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 적층 스테이지(110)의 좌측에 설치되며, 시계 방향으로 회전하며 하면에 분리막(30)이 부착되어 있는 양전극(10)을 회전이동시켜 상기 적층 스테이지(110)에 적층하는 구성요소이다. 즉, 상기 양전극 회전 적층부(130)는 시계 방향으로 계속 회전하면서 양전극 수취 위치(P3)에서 새로운 양전극(10)을 수취하고, 양전극 적층 위치(P1)로 회전이동시킨 후, 상기 적층 스테이지(110)에 적층하는 것이다.
이를 위하여 본 실시예에서는 상기 양전극 회전적층부(130)를 구체적으로 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 제1 회전축(131), 제1 회전판(132) 및 제1 전극 흡착부(133)를 포함하도록 구성할 수 있다. 먼저 상기 제1 회전축(131)은 상기 양전극 회전적층부(130)의 중앙에 설치되어 시계 방향으로 회전하는 구성요소이다.
다음으로 상기 제1 회전팔(132)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 회전축(131)의 외주면에 일정한 각간격으로 이격되어 방사상으로 다수개가 설치되며, 상기 제1 회전축(131)의 회전에 의하여 회전한다.
이때 상기 제1 회전팔(132)의 설치 개수는 다양하게 변화될 수 있지만, 상기 양전극(10)의 수취와 적층에 충분한 시간과 공간을 확보하기 위하여 4개가 서로 직각을 유지한 상태에서 설치되는 것이 바람직하다.
다음으로 상기 제1 전극 흡착부(133)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 다수개의 제1 회전팔(132)마다 설치되며, 그 상면에 상기 양전극(10)을 흡착하여 수취하는 구성요소이다. 즉, 상기 제1 전극 흡착부(133)는 진공 흡착력을 가지는 구조를 가지며, 전극 수취 위치(P3)에서 상기 양전극 공급부(150)에 의하여 공급되는 양전극(10)을 그 상면에 흡착한 상태에서 회전 이동 중 상기 양전극(10)이 움직이지 않도록 고정하는 것이다.
다음으로 상기 음전극 회전적층부(140)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 적층 스테이지(110)의 우측에 설치되며, 반시계 방향으로 회전하며 하면에 분리막(30)이 부착되어 있는 음전극(20)을 회전이동시켜 상기 적층 스테이지(110)에 적층하는 구성요소이다. 즉, 상기 음전극 회전 적층부(140)는 반시계 방향으로 계속 회전하면서 음전극 수취 위치(P4)에서 새로운 음전극(20)을 수취하고, 음전극 적층 위치(P2)로 회전이동시킨 후, 상기 적층 스테이지(110)에 적층하는 것이다.
이를 위하여 본 실시예에서는 상기 음전극 회전 적층부(140)를 구체적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 회전축(141), 제2 회전팔(142) 및 제2 전극 흡착부(143)을 포함하도록 구성할 수 있다. 여기에서 상기 제2 회전축(141), 제2 회전팔(142) 및 제2 전극 흡착부(143)의 구체적인 구성과 기능은 상기 제1 회전축(131), 제1 회전축(132) 및 제1 전극 흡착부(133)과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 반복설명은 생략한다.
다음으로 상기 양전극 공급부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 양전극 회전 적층부(130) 좌측에 설치되며, 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극(10)을 상기 양전극 회전 적층부(130)의 양전극 수취 위치(P3)에 하나씩 공급하는 구성요소이다. 즉, 상기 양전극 공급부(150)는 상기 양전극 수취 위치(P3)로 반복적으로이동하는 비어 있는 제1 전극 흡착부(133)에 새로운 양전극(10)를 적시에 공급하는 것이다.
이를 위하여 상기 양전극 공급부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이, 다수개의 양전극(10)이 적재되어 있는 매거진(151)과 상기 매거진에 적재되어 있는 상기 양전극(10)의 상면을 흡착하여 하나씩 이동시키는 흡착패드(152) 및 상기 흡착 패드(152)를 상기 매거진(151)에서 상기 양전극 적층 위치(P3)로 반복적으로 이동시키는 이동 로봇(153) 등으로 구성할 수 있다. 물론 상기 양전극 공급부(150)는 상기 양전극(10)을 하나씩 순차적으로 공급할 수 있는 다양한 구성으로 변화될 수 있다.
또한 상기 양전극 공급부(150)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 전극 대기부(154)가 더 구비될 수도 있다. 물론 상기 흡착패드(152)에 양전극(10)이 흡착되어 있는 상태에서 직접 상기 제1 전극 흡착부(133)에 양전극(10)을 직접 전달할 수도 있지만, 정확한 전달 과정을 위하여 상기 흡착패드(152)가 상기 전극 대기부(154)에 양전극(10)을 내려놓고 이동하면, 상기 제1 전극 흡착부(133)가 상기 전극 대기부(154)에 올려져 있는 양전극(10)을 하측에서 상측으로 이동하면서 전달받는 것이다.
따라서 상기 전극 대기부(154)는 중앙에 상기 제1 전극 흡착부(133)가 통과할 수 있는 공간을 가지도록 형성되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 양전극(10)의 측부를 지지하는 구조를 가지는 것이 바람직하다.
다음으로 상기 음전극 공급부(160)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 음전극 회전 적층부(140) 우측에 설치되며, 하면에 분리막(30)이 부착되어 있는 음전극(20)을 상기 음전극 회전 적층부(140)의 음전극 수취 위치(P4)에 하나씩 공급하는 구성요소이다. 즉, 상기 음전극 공급부(160)는 상기 음전극 수취 위치(P4)로 반복적으로 이동하는 비어 있는 제2 전극 흡착부(143)에 새로운 음전극(20)를 적시에 공급하는 것이다.
이를 위하여 상기 음전극 공급부(160)는 도 1에 도시된 바와 같이, 다수개의 음전극(20)이 적재되어 있는 매거진(161)과 상기 매거진에 적재되어 있는 상기 음전극(20)의 상면을 흡착하여 하나씩 이동시키는 흡착패드(162) 및 상기 흡착 패드(162)를 상기 매거진(161)에서 상기 음전극 적층 위치(P4)로 반복적으로 이동시키는 이동 로봇(163) 등으로 구성할 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 전극 스태킹 장치(100)에는 제어부(도면에 미도시)가 더 구비되는데, 상기 제어부는 상기 제1 전극 흡착부(133)가 상기 양전극 적층 위치(P1)로 이동한 상태에서, 상기 적층 스테이지(110)가 음전극 적층 위치(P2)로 수평 이동할 때까지 상기 제1 회전축(131)의 회전을 정지하도록 제어한다. 그러면 상기 양전극 적층 위치(P1)의 반대편인 양전극 수취 위치(P3)에서는 비어 있는 제1 전극 흡착부(133)에 새로운 양전극(10)을 공급할 수 있는 시간이 동시에 확보된다.
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극 스태킹 장치
110 : 적층 스테이지 120 : 스테이지 이동부
130 : 양전극 회전적층부 140 : 음전극 회전적층부
150 : 양전극 공급부 160 : 음전극 공급부
10 : 양전극 20 : 음전극
30 : 분리막

Claims (7)

  1. 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극과 음전극이 순서대로 상면에 적층되는 적층 스테이지;
    상기 적층 스테이지를 양전극 적층 위치와 음전극 적층 위치로 수평 이동시키는 스테이지 이동부;
    상기 적층 스테이지의 좌측에 설치되며, 시계 방향으로 회전하며 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극을 회전이동시켜 상기 적층 스테이지에 적층하는 양전극 회전 적층부;
    상기 적층 스테이지의 우측에 설치되며, 반시계 방향으로 회전하며 하면에 분리막이 부착되어 있는 음전극을 회전이동시켜 상기 적층 스테이지에 적층하는 음전극 회전 적층부;
    상기 양전극 회전 적층부 좌측에 설치되며, 하면에 분리막이 부착되어 있는 양전극을 상기 양전극 회전 적층부의 전극 수취 위치에 하나씩 공급하는 양전극 공급부;
    상기 음전극 회전 적층부 우측에 설치되며, 하면에 분리막이 부착되어 있는 음전극을 상기 음전극 회전 적층부의 전극 수취 위치에 하나씩 공급하는 음전극 공급부;를 포함하는 이차전지 전극 스태킹 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양전극 회전 적층부는,
    중앙에 설치되어 시계 방향으로 회전하는 제1 회전축;
    상기 제1 회전축에 일정한 각간격으로 이격되어 방사상으로 설치되는 다수개의 제1 회전팔;
    상기 다수개의 제1 회전팔마다 설치되며, 그 상면에 상기 양전극을 흡착하여 수취하는 제1 전극 흡착부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 스태킹 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 회전팔은,
    4개의 회전팔이 90°각 간격으로 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 스태킹 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 음전극 회전 적층부는,
    중앙에 설치되어 시계 방향으로 회전하는 제2 회전축;
    상기 제2 회전축에 일정한 각간격으로 이격되어 방사상으로 설치되는 다수개의 제2 회전팔;
    상기 다수개의 제2 회전팔마다 설치되며, 그 상면에 상기 음전극을 흡착하여 수취하는 제2 전극 흡착부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 스태킹 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 회전팔은,
    4개의 회전팔이 90°각 간격으로 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 스태킹 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적층 스테이지에는 상기 적층 스테이지 상에 적층되는 상기 양전극과 음전극을 고정하는 전극 그리퍼가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 스태킹 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 흡착부가 상기 양전극 적층 위치로 이동한 상태에서 상기 적층 스테이지가 음전극 적층 위치로 수평 이동할 때까지 상기 제1 회전축의 회전을 정지하도록 제어하는 제어부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 스태킹 장치.
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