KR20210125033A - 배터리 분리막 롤의 마찰 향상 코어 표면 및 그 관련 방법 - Google Patents

배터리 분리막 롤의 마찰 향상 코어 표면 및 그 관련 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 분리막 재료의 롤 및 관련 방법이 개시된다. 배터리 분리막 재료의 롤은 외측 표면을 포함하는 코어, 코어 주위에 롤링된 분리막 재료, 및 코어의 외측 표면에 대한 분리막 재료의 측방향 이동을 방지하기 위한, 코어의 외측 표면의 적어도 일부 상의 마찰 향상 표면을 포함한다.

Description

배터리 분리막 롤의 마찰 향상 코어 표면 및 그 관련 방법
권리 통지
ⓒ 2020 Amtek Research LLC. 본 특허 문헌의 개시내용의 일부는, 저작권 보호의 대상인 자료를 포함한다. 저작권 소유자는, 특허 및 상표청의 특허 파일이나 기록에 나타나 있는 바와 같은, 특허 문헌 또는 특허 개시내용을 누구나 팩시밀리 복제하는 것을 반대하지 못하지만, 그 외의 모든 저작권을 보유한다. 37 CFR § 1.71(d).
본 발명은 납-산 배터리에서 이용하기 위한 배터리 분리막, 그리고 특히, 코어 상에서의 분리막 롤의 미끄러짐을 제한하고 완전히 풀렸을 때(unwound) 깨끗하게 해제되는 코어 상에서의 마찰 향상 표면을 갖는 분리막 롤 코어에 관한 것이다.
밸브 레귤레이티드 납산(valve regulated lead acid)(VRLA) 및 플러디드 납-산(flooded lead-acid)은 2개의 상이한 유형의 상업적으로 입수 가능한 납-산 배터리 설계이다. 양 유형들은, 다공성 배터리 분리막에 의해서 서로 분리된, 인접한 양극 및 음극을 포함한다. 다공성 분리막은 인접한 전극들 사이의 전기 단락을 방지하고, 전해질이 체류하기 위한 공간을 제공한다. 그러한 분리막은, 전해질이 분리막 재료의 소공 내에 체류할 수 있도록 하는 충분히 다공적인 재료로 형성되고, 그에 의해서 인접한 양의 판과 음의 판 사이의 이온 전류 흐름을 가능하게 한다.
제1 유형의 납-산 배터리(VRLA)는 전형적으로 마이크로 유리 섬유로 구성된 흡수성 유리 매트(AGM) 분리막을 포함한다. AGM 분리막이 큰 다공도(>90%), 낮은 이온 저항, 및 균일한 전해질 분포를 제공하지만, 이들은 비교적 고가이다. 또한, AGM 분리막은 2가지 이유: (1) 단락 발생이 증가된다는 이유, (2) AGM 시트의 취약성으로 인해서 제조 비용이 증가된다는 이유에서 문제가 되는 낮은 내천공성을 나타낸다. 일부 경우에, 배터리 제조자는, 두께와 함께 이온 저항이 증가된다는 것을 인지하면서, 내천공성을 개선하기 위해서 더 두껍고, 더 고가인 분리막을 선택한다.
제2 유형의 납-산 배터리인, 플러디드 배터리는 전해질의 작은 부분만이 분리막 내로 흡수되는 것을 특징으로 한다. 플러디드 셀 배터리 분리막은 전형적으로 셀룰로오스, 폴리염화비닐, 유기 고무 및 폴리올레핀의 다공성 유도체를 포함한다. 보다 구체적으로, 미세다공성 폴리에틸렌 분리막은, 낮은 이온 저항, 높은 천공 강도, 우수한 내산화성 및 우수한 가요성을 제공하면서도 수지상 성장을 억제하는, 그들의 초미세 소공 크기로 인해서 일반적으로 사용된다. 이러한 특성은, 양극 또는 음극이 내부에 삽입될 수 있는 포켓 또는 엔벨로프 구성(envelope configuration)으로 배터리 분리막을 밀봉하는 것을 촉진한다.
보다 최근에, "스타트-스톱(start-stop)" 또는 "마이크로-하이브리드" 차량 적용예에서의 고 사이클링 요건을 만족시키기 위해서, 향상된 플러디드 배터리(EFB)가 개발되었다. 그러한 적용예에서, 엔진은 (예를 들어, 신호등에서) 차량의 정지 중에 차단되고 이어서 그 후에 재-시동된다. "스타트-스톱" 차량 설계의 장점은, CO2 방출 감소 및 보다 양호한 전체적인 연료 효율을 초래한다는 것이다. "스타트-스톱" 차량에서의 주요 난제는, 배터리가, 요구되는 순간에 엔진을 재-시동하기 위한 충분한 전류를 공급할 수 있으면서도, 정지 모드 중에 모든 전기 기능에 계속 공급을 하여야 한다는 것이다. 그러한 경우에, 배터리는, 사이클링 및 재충전 능력과 관련하여, 통상적인 플러디드 납-산 배터리 설계에 비해 높은 성능을 나타내야 한다.
대부분의 플러디드 납-산 배터리는 폴리에틸렌 분리막을 포함한다. "폴리에틸렌 분리막"이라는 용어는 잘못된 명칭인데, 이는 이러한 미세다공성 분리막이 충분히 산 습윤성이 될 수 있도록 많은 양의 침전된 실리카를 필요로 하기 때문이다. 침전 실리카의 부피 분율(volume fraction) 및 분리막 내의 그 분포가 일반적으로 그 전기적 특성을 제어하는 한편, 분리막 내의 폴리에틸렌의 부피 분률 및 배향은 일반적으로 그 기계적 특성을 제어한다. 상업적인 폴리에틸렌 분리막의 다공도 범위는 일반적으로 50% 내지 65%이다.
분리막 내에 포함되는 폴리올레핀의 일차적인 목적은 (1) 분리막이 고속으로 엔벨로프화될 수 있도록 폴리머 매트릭스에 기계적 무결성을 제공하는 것, 그리고 (2) 배터리 조립 또는 동작 중에 그리드 와이어 천공을 방지하는 것이다. 따라서, 소수성 폴리올레핀은 바람직하게, 높은 내천공성을 갖는 미세다공성 웹을 형성하기에 충분한 분자 사슬 얽힘을 제공하는 분자량을 갖는다. 친수성 실리카의 일차적인 목적은 분리막 웹의 산 습윤성을 증가시키고, 그에 의해서 분리막의 전기 저항을 낮추는 것이다. 실리카가 없는 경우에, 황산이 소수성 웹을 습윤시키지 않을 것이고 이온 운반이 일어나지 않을 것이며, 결과적으로 배터리가 동작하지 않을 것이다.
폴리에틸렌 분리막의 제조 중에, 석출된 실리카는 전형적으로 폴리올레핀, 프로세스 오일, 및 다양한 미량 성분과 조합되어 분리막 혼합물을 형성하고, 그러한 분리막 혼합물은 고온에서 시트 다이를 통해서 압출되어 오일-충진 시트를 형성한다. 오일-충진 시트는 그 희망 두께 및 프로파일로 캘린더 가공되고(calendered), 프로세스 오일의 대부분이 추출된다. 시트를 건조시켜 미세다공성 폴리올레핀 분리막을 형성하고, 특정 배터리 설계를 위한 적절한 폭으로 절단한다. 분리막은, 운반을 위해서 그리고 배터리 제조 중의 편리한 사용을 위해서, 코어 상으로 그리고 롤로 권취될 수 있다.
배터리(예를 들어, 납-산 배터리)가 제조될 때, 엔벨로프화 장비가 분리막 재료를 배터리 분리막 재료의 롤로부터 풀고, 분리막 재료를 절단하고, 분리막 재료를 "엔벨로프"로 형성하고, 배터리 전극을 엔벨로프 내에 삽입하고, 연부들을 밀봉하여 전극 패키지를 형성한다. 분리막이 양극과 음극 사이에서 물리적 이격체로서 그리고 전자 절연체로서 작용하도록, 전극 패키지들이 적층된다. 이어서, 전해질이 조립된 배터리 내로 도입되어, 배터리 내의 이온 전달을 촉진한다.
배터리의 적절한 조립은 종종, 분리막 재료의 잘못된 공급으로 인한 장비 오작동을 방지하기 위해서, 분리막 재료의 배향 및 분리막 재료가 엔벨로프 장비 내로 공급되는 속도를 신중하게 제어하는 것을 포함한다. 이는, 분리막 재료가 롤로부터 자유롭게 풀릴 수 있도록 그리고 엔벨로프 장비 내로 공급될 수 있도록, 롤을 장착하는 것을 포함한다. 이러한 목적을 달성하도록 롤을 형성하는 것은, 카드보드 코어의 외측 표면 주위의 롤 상에 권취된 배터리 분리막 재료의 시트를 사용하는 것을 수반한다. 분리막 재료의 권취된 롤의 측면 가장자리는, 코어의 외부 연부들 사이에 센터링되는 실질적으로 동일한 높이의(level) 측면 표면들을 형성하도록 정렬된다.
코어의 외부 연부들 사이에서 한정된 동일한 높이의 측면 표면들을 형성하기 위해서 분리막 재료의 시트를 권취하는 것 및 동일한 높이의 측면 표면을 유지하는 것은 적어도 2가지 이유로 난제가 된다. 첫 번째 이유는, 롤이 권취되고, 운반되고, 풀릴 때, 분리막 재료가 코어의 축의 방향으로 미끄러지는 경향이 있다는 것이다. 두 번째 이유는, 분리막 재료 내에서 엠보싱된 리브들(ribs embossed)에 의해서 분리막 재료가 요동하게 되고, 그에 의해서, 롤의 크기가 증가됨에 따라 리브형 층들이 서로 접촉될 때 분리막 재료의 중심선이 축방향으로 이동하도록 압박한다는 것이다.
도 1 및 도 2는, 배터리의 제조에서 사용하기에 적합한 분리막 재료의 롤을 도시한다. 도 3 및 도 4는, 배터리의 제조에서 사용하기에 적합하지 않은 분리막 재료의 롤을 도시한다.
도 1은, 코어(104) 주위에 권취된 배터리 분리막 재료(102)를 포함하고 엔벨로프화 기계(106)의 일부에 장착된 롤(100)의 사시도를 도시한다. 도 2는 도 1의 롤의 측면도를 도시한다. 배터리 제조에서 직면하는 일반적인 문제는, 배터리 분리막 재료가 롤로부터 풀릴 때, 분리막 재료가 코어에 대해서 미끄러진다는 것이다. 이러한 미끄러짐의 하나의 결과는 코어 상에서의 분리막 재료의 측방향 이동(즉, 코어의 축방향을 따른 이동)이다. 이러한 현상의 예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있고, 이들 도면은, 분리막 재료(102)가 권취 중에 이동된, 그에 따라 분리막 재료(102)가 더 이상 코어(104)의 단부들 사이에서 한정되지 않는 롤(100)을 도시한다. 또한, 분리막 재료가 거의 완전히 풀릴 때, 엠보싱된 리브들은, 코어에 대한 분리막 재료의 나머지 롤링된 부분의 축방향 이동을 압박하는 경향이 있다. 이러한 오정렬은 분리막 재료를 기계의 엔벨로프화 스테이지 내로 잘못 공급하는 결과를 초래할 수 있고, 이는 기계의 적절한 동작을 방해하거나 막을 수 있다. 결과적으로, 제조 중단뿐만 아니라, 분리막 재료, 다른 배터리 재료, 또는 배터리 제조 장비의 손상이 발생될 수 있다.
이동을 방지하기 위한 하나의 접근방식에서, 예를 들어 테이프로, 분리막 재료를 코어에 접착식으로 부착하였다. 이는 많은 엔벨로프화 기계에서 적합하지 않은 해결책이다. 테이프 또는 일부 다른 접착제로 분리막 재료의 근위 단부를 코어에 부착하는 것은 종종, 롤의 완전 풀림 시에, 기계 내로 공급되는 재료에서 바람직하지 못한 당김 또는 반동(recoil)을 초래한다. 분리막 재료 상의 그러한 당김 및/또는 반동은 엔벨로프화 프로세스에서 분리막 재료의 오정렬을 초래한다. 그에 따라, 그러한 바람직하지 못한 결과를 초래하지 않는, 이동에 대한 효과적인 해결책이 필요하다.
배터리 분리막 롤의 마찰 향상 코어 표면 및 관련 방법이 본원에서 개시된다. 바람직한 실시형태에서, 하나 이상의 마찰 향상 재료, 예를 들어 샌드페이퍼 또는 고무로 이루어진 스트립 또는 슬리브가, 배터리 분리막 재료의 롤을 권취하기 위해서 이용되는 코어의 표면에 부착된다. 마찰 향상 재료는, 코어와 분리막 재료 사이의 마찰 저항을 적어도 1.75배, 예를 들어 적어도 2배, 적어도 3배, 또는 약 2 내지 3배만큼 증가시키는 것에 의해서, 분리막 재료가 코어를 벗어나 이동할 수 있는 가능성을 감소시킨다. 그러나, 마찰 향상 재료는, 당김 또는 반동이 없이, 분리막 재료가 코어로부터 해제될 수 있게 한다(즉, 충분한 해제 특성이 유지된다). 일부 실시형태에서, 코어의 표면 자체가 마찰 향상 표면을 포함할 수 있다.
임의의 특별한 요소 또는 행위에 관한 설명을 용이하게 명확화하기 위해서, 참조 번호에서 가장 중요한 숫자 또는 숫자들은 그러한 요소가 최초로 도입된 도면 번호를 나타낸다.
도 1은, 현재 기술 수준의 예시인 배터리 분리막 재료의 롤의 사진 사시도이다.
도 2는 도 1의 롤의 사진 측면도를 도시한다.
도 3은 배터리 분리막 재료가 권취되는 코어에 대한 배터리 분리막 재료의 이동을 보여주는, 종래 기술의 배터리 분리막 재료의 롤의 사진 사시도이다.
도 4는 도 3의 종래 기술의 롤의 다른 사진 사시도이다.
도 5는 일부 실시형태에 따른, 배터리 분리막 재료의 롤을 위한 코어의 도면이다.
도 6은 실시예 1의 실험에서 이용된 테스트 설정의 이미지를 도시한다.
배터리 분리막 롤의 마찰 향상 코어 표면 및 관련 방법이 본원에서 개시된다. 본원에서 사용된 바와 같은 "마찰 향상"이라는 용어는, 코어의 충분한 해제 특성을 유지하면서, 코어와 배터리 분리막 재료 사이의 마찰 저항을, 그러한 재료 또는 표면이 없는 코어에 비해서 증가시키는 코어 상의 재료 또는 표면의 특성을 지칭한다(즉, 배터리 분리막 재료의 롤이 종료에 도달하고 롤 상의 마찰 향상 재료 또는 표면과의 접촉을 벗어날 때, 배터리 제조 장비에서 당김 및/또는 반동이 발생되지 않는다). 바람직한 실시형태에 따라, 마찰 향상 표면은 코어의 외부 표면에 부착되는 마찰 향상 특성을 갖는 재료에 의해서 제공될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같은 "마찰 향상 재료"는, 코어에 부착, 도포, 또는 달리 고정되어 마찰 향상 표면을 제공할 수 있는 고체, 액체, 겔, 페이스트, 및 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 마찰 향상 재료는, 코어의 외부 표면을 둘러싸는 슬리브 또는 밴드의 형태일 수 있다. 바람직하게, 마찰 향상 재료는 코어의 외부 표면에 도포되는 재료의 스트립이다.
마찰 향상 표면은 마찰 향상 표면이 없는 코어에 비해서 코어와 분리막 재료 사이의 마찰을 증가시키는 것에 의해서 코어를 벗어나는 분리막 재료의 이동 가능성을 감소시킨다. 일부 실시형태에서, 마찰 향상 재료의 하나 이상의 스트립이, 배터리 분리막 재료의 권취를 위해서 이용되는 코어의 표면에 부착된다. 특정 실시형태에서, 마찰 향상 재료의 스트립은 샌드페이퍼의 스트립을 포함한다. 일부 실시형태에서, 코어 표면 자체가 마찰 향상 표면을 포함할 수 있거나 포함하도록 변경될 수 있다.
도 5는 일부 실시형태에 따른 분리막 재료의 롤의 통합을 위한 코어(500)의 사시도이다. 코어(500)는 기부 정지 마찰 계수(μb-s) 및 기부 운동 마찰 계수(μb-k)를 갖는 외측 표면(506)을 포함하는 기부 코어(502)를 포함한다. 코어(500)는 또한 기부 코어(502)의 외측 표면(506) 상에 위치되는 또는 그에 고정된 마찰 향상 재료(504)를 포함한다. 마찰 향상 재료(504)는 코어(500)로부터 멀어지는 쪽으로 대면되는 마찰 향상 표면(508)을 포함한다. 마찰 향상 표면(508)은, 기부 코어(502)의 외측 표면(506)의 기부 정지 마찰 계수(μb-s)보다 큰, 예를 들어 적어도 1.75배, 적어도 2배, 또는 약 2 내지 3배인 향상된 정지 마찰 계수(μe-s)를 갖는다. 마찰 향상 표면(508)은, 기부 코어(502)의 외측 표면(506)의 기부 운동 마찰 계수(μb-k)보다 큰, 예를 들어 적어도 1.75배, 적어도 2배, 또는 약 2 내지 3배인 향상된 운동 마찰 계수(μe-k)를 갖는다.
마찰 향상 표면 또는 재료는 바람직하게, (실시예 1의 방법을 이용하여 결정된) 적어도 약 0.8, 예를 들어 약 0.8 내지 약 1.2의 분리막 재료에 대한(후방 측면, 리브 측면, 또는 그 둘 모두에 대한) 최대 운동 마찰 계수를 제공한다. "최대"라는 용어는 운동 마찰 계수의 상한선이 아니라, 마찰 테스트 중에 얻어지는 최대 마찰 계수 값을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어, 적어도 0.8은 최대 운동 마찰 계수에 대해서 요구되는 최소 값일 수 있다.
마찰 향상 재료는 바람직하게, 적어도 0.6, 예를 들어 약 0.6 내지 약 1.0의 분리막 재료에 대한(후방 측면, 리브 측면, 또는 그 둘 모두에 대한) 평균 운동 마찰 계수를 제공한다.
본원에서 사용된 바와 같이, (종종 "μs" 또는 그 일부 변형으로 표시되는) "정지 마찰 계수"라는 용어는 (표면에 대해서 정지적인 물체가 받는) (종종 "Ff"로 표시되는) 마찰력을 (도 3에서 화살표로 표시되고 표면에 의해서 물체 상으로 가해지는) (종종 "Fn"으로 표시되는) 항력과 관련시키는 상수를 지칭한다(Ff = μsFn). 예를 들어, 분리막 재료가 코어(500) 주위로 권취될 때, 분리막 재료 내의 장력 및/또는 다른 힘(예를 들어, 중력)은 분리막 재료가 내측으로 코어(500) 상으로 힘을 가하게 한다. 코어(500)는 다시 분리막 재료에 대항하여 외측으로 항력을 가하여, 분리막 재료에 의해서 내측으로 가해지는 힘과 균형을 이룬다. 코어(500)의 외측 표면(506)에 평행하게 분리막 재료 상으로 가해지는 임의의 힘이 마찰력(Ff = μsFn)을 초과하지 않는 한, 분리막 재료는 코어(500)에 대해서 정지적으로 유지된다.
본원에서 사용된 바와 같이, (종종 "μk" 또는 그 일부 변형으로 표시되는) "운동 마찰 계수"라는 용어는 (표면에 대해서 이동하는 물체가 받는) 마찰력을 (표면에 의해서 물체 상으로 가해지는) 항력과 관련시키는 상수를 지칭한다(Ff = μkFn). 예를 들어, 분리막 재료 상의 힘이 분리막 재료를 코어(500)에 대해서 미끄러지게 하는 경우에(예를 들어, (Ff = μsFn)를 초과하는 경우에), 분리막 재료가 코어(500)에 대해서 계속 이동하는 동안, 마찰력은 (Ff = μkFn)에 의해서 주어진다.
도 3의 실시예에서, 마찰 향상 재료(504)의 존재는, 기부 코어(502) 단독의 외측 표면(506)에 비해서, 코어(500)의 전체적인 정지 및 운동 마찰 계수를 증가시킨다. 결과적으로, 코어(500)에 대한 분리막 재료의 측방향 이동이 권취 및 풀림 중에 발생할 가능성이 낮다. 또한, 코어(500)에 대한 분리막 재료의 측방향 이동이 발생될 때에도, 그러한 미끄러짐은 마찰 향상 재료(504)가 없는 경우보다 더 빨리 정지될 가능성이 높고, 이는 분리막 재료가 코어(500)를 완전히 벗어나서 측방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
마찰 향상 재료(504)는 충분한 해제 특성을 가지며, 그에 따라 배터리 분리막 재료의 롤이 종료에 도달하고 마찰 향상 재료(504)와의 접촉을 벗어날 때, 배터리 제조 장비에서 당김 및/또는 반동이 발생되지 않는다. 바람직하게, 마찰 향상 재료(504)는 그 외부 표면 상에서 접착제를 포함하지 않는다. 마찰 향상 재료(504)가 접착제로 외측 표면(506)에 부착될 수 있으나; 그러한 접착제는 코어(500) 상에 롤링된 배터리 분리막 재료와 접촉되지 않는다.
기부 코어(502)는 도 5에 도시된 바와 같은 중공형의 원통형 형상, 또는 일부 다른 형상(예를 들어, 중실형의 원통형 형상, 편평한 형상, 비-원형의 원통형 형상 등)을 가질 수 있다. 기부 코어(502)는 다양한 재료 중 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기부 코어(502)는 카드보드, 합성 중합체(예를 들어, 플라스틱), 금속, 목재, 또는 분리막 재료의 롤을 지지하기에 적합한 임의의 다른 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 마찰 향상 재료(504)는 기부 코어(502)의 재료와 동일한 재료를 포함할 수 있다. 비제한적인 예에 의해서, 마찰 향상 재료(504)는 기부 코어(502)의 외측 표면(506)을 텍스처 가공하는 것(texturing)에 의해서 기부 코어(502) 자체로부터 직접적으로 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 마찰 향상 재료(504)는 기부 코어(502)의 재료와 분리된 재료이고 (예를 들어, 접착제, 스테이플, 압정, 못, 리벳, 또는 다른 고정 메커니즘을 이용하여) 기부 코어(502)의 외측 표면(506)에 고정된다. 일부 실시형태에서, 기부 코어(502) 자체가, 마찰을 향상시키는 재료를 포함할 수 있고, 이러한 경우에 전체 외측 표면(506)은, 마찰 향상 재료(504)가 없이, 분리막 재료의 측방향 이동을 방지하기에 충분하게 마찰을 증가시킬 수 있다.
도 5는, 마찰 향상 재료(504)를 포함하는 기부 코어(502)의 외측 표면(506)의 하나의 섹션을 도시한다. 그러나, 기부 코어(502)의 외측 표면(506)이 다수의 마찰 향상 재료(504)의 지역을 포함할 수 있거나, 심지어 마찰 향상 재료(504) 내에서 완전히 덮힐 수 있다. 도 5는 또한, 기부 코어(502)의 외측 표면(506) 상의 마찰 향상 재료(504)의 직사각형 스트립을 도시한다. 그러나, 외측 표면(506)이 직사각형 이외의 다양한 형상(예를 들어, 삼각형, 팔각형, 원형, 난형, 다른 다각형, 불규칙한 형상 등) 및 크기의 하나 이상의 마찰 향상 재료(504)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 마찰 향상 재료의 스트립 또는 다른 길다란 형상이 센터링된 롤의 중심선에 대해서, 약 30° 내지 약 60°, 예를 들어 약 45°와 같은, 각도를 가지고(즉, 롤로부터 풀릴 때 분리막 재료가 당겨질 방향으로) 외측 표면(506) 상에 배치된다. 그러나, 각도는 또한 도 5에 도시된 바와 같이 약 0°일 수 있다(즉, 당김 방향에 평행할 수 있다). 또한, 각도는 약 90°일 수 있다(즉, 당김 방향에 수직일 수 있다).
리브형 배터리 분리막 재료를 권취하는 것 및 푸는 것과 관련된 문제가 또한, 표면 중 적어도 하나 상에서 길이방향 리브를 포함하는 다른 시트 재료에서 발생될 수 있다. 따라서, 일 실시형태에서, 리브형 재료를 롤링하는 방법은, (예를 들어, 기부 코어(502)와 같은) 외부 연부에 의해서 형성된 폭을 갖는 외측 표면을 갖는 원통형 형상의 코어를 제공하는 단계를 포함한다. 마찰 향상 표면이 전술한 바와 같이 코어의 외측 표면의 적어도 일부 상에 형성된다. 리브형 재료의 연속적인 시트가 코어의 폭과 동일한 또는 그 미만인 폭을 갖도록, 코어 폭이 선택된다. 코어의 외부 연부가 리브형 재료의 외부 연부와 동일 높이가 되고(flush with) 또는 이를 넘어서 연장되기에 충분하게, 코어의 외부 표면 상의 리브형 재료가 정렬된다(예를 들어, 리브형 재료는 바람직하게 코어의 외부 연부들 사이에 센터링된다). 리브형 재료는 마찰 향상 표면과 마찰 결합된다. 리브형 재료는 장력 하에서 코어의 외측 표면 주위에 권취된다. 코어와 리브형 재료의 제1 루프 사이의 마찰 결합은, 전체 롤이 권취되는 동안, 롤 상에서의 리브형 재료의 정렬 유지에 도움을 준다. 이는, 코어의 외부 연부들 사이에 센터링된 실질적으로 동일 높이의 측면 표면들을 갖는 권취된 롤의 측면 가장자리를 촉진한다(즉, 리브형 재료의 외부 연부는 코어의 외부 연부에 의해서 형성된 경계와 동일 높이이거나 그 내측에 위치된다).
배터리 분리막 재료의 경우에, 리브형 재료는 종종 리브형 측면 및 편평한 후방 측면을 가질 것이다. 편평한 후방 측면은 코어의 외측 표면 주위에 권취될 수 있다. 대안적으로, 리브형 표면이 코어의 외측 표면 주위에 권취될 수 있다. 특히, 리브형 재료는 리브형 재료의 적어도 하나의 표면 상에서, 재료의 시트에 대해서, 길이방향으로-배향된 리브를 가질 수 있다.
잘-권취된 배터리 분리막 재료 롤은 배터리 제조 프로세스를 촉진한다. 따라서, 일 실시형태에서, 배터리 제조 프로세스는 코어의 적어도 일부 상에서 마찰 향상 표면의 이점을 갖는 전술한 바와 같이 권취된 배터리 분리막 재료의 롤을 제공하는 단계를 포함한다(즉, 권취된 롤의 측면 가장자리가, 코어의 외부 연부들 사이에 센터링된 실질적으로 동일한 높이의 측면 표면들을 갖는다). 코어와 배터리 분리막 재료의 최초 루프 사이의 마찰 결합은, 풀릴 때 그리고 엔벨로프화 장비와 같은 배터리 제조 장비에 공급될 때, 롤의 측방향 이동을 방지하는데 도움을 준다. 유리하게, 배터리 분리막 재료가 코어에 테이프 작업되지 않거나 달리 접착 고정되지 않기 때문에, 롤이 소모될 때, 배터리 분리막 재료에서의 당김 또는 반동 효과가 배터리 제조 장비에서 발생됨이 없이, 배터리 분리막 재료의 나머지 부분이 코어로부터 완전히 풀리고 해제될 수 있다. 그에 따라, 배터리 제조 프로세스에서의 방해가 방지될 수 있다.
마찬가지로, 코어의 적어도 일부 상의 마찰 향상 표면의 이점을 갖는 전술한 바와 같이 권취된 배터리 분리막 재료의 제2 롤이 배터리 제조 장비에 공급되어, 배터리 제조 프로세스의 최소 중단을 제공할 수 있다. 제1 롤의 단부가 제2 롤의 시작부에 테이프 작업되거나 달리 고정될 수 있다.
실시예 1
상이한 코어 표면 재료들 및 분리막 재료들 사이의 마찰적 상호작용을 도 8에 도시된 바와 같이 테스트하였다. 카드보드 코어는 절단되고, 풀리고, 그리고 편평한 직사각형 표면으로서 강 시트 상에 배치되었다. 테스트 재료의 1-인치(2.54 cm) 넓이의 스트립을, 분리막 재료 샘플이 당겨질 방향에 대해서 45°의 각도로, 카드보드에 부착하였다. 테스트 재료 스트립을 테스트의 시작 시에 분리막 재료 샘플의 전방부와 정렬시켰다. 연부 상의 양면 테이프 및 자석의 작은 단편을 이용하여, 테스트 재료 스트립을 테스트를 위한 제 위치에서 유지하였다. 4"x2" 분리막 재료 샘플을 중량 측정된 블록의 하부 측면에 부착하였고 카드보드 상에 배치하였다. 중량 측정된 블록을 Mark-10 모델 M5-5 힘 게이지에 연결하였다. 조합된 중량 측정 블록 및 분리막 재료 샘플의 총 중량은 414.6 내지 414.7 그램의 범위였다. 테스트 속력은 약 8.2 mm/초(또는 약 490 mm/분)였다. 테스트를 카드보드 코어 자체, 2가지 유형의 샌드페이퍼("US" = 80 그리트(grit), "ESA" = 100 그리트), 및 2가지 유형의 고무((고무 장갑으로부터의) 니트릴 및 라텍스)로 실시하였다.
2가지 상이한 유형("STD" = 표준, "LR" = 저저항)의 분리막 재료의 리브형 측면 및 후방 측면 모두를 테스트하였다. STD는 GE 프로파일, 162 mm의 폭, 0.25 mm의 후방 웹 두께(backweb thickness), 및 1.3 mm의 전체 두께를 갖는 ENTEK PE 분리막이었다. LR은 GE 프로파일, 162 mm의 폭, 0.25 mm의 후방 웹 두께, 및 0.8 mm의 전체 두께를 갖는 ENTEK LR 분리막이었다. GE 프로파일은 리브형 측면 및 편평한 후방 측면을 갖는다. 리브형 측면은 주 리브 및 부 리브를 포함한다(후방 웹 두께와 전체 두께 사이의 차이는 후방 웹 상부 표면에 대한 주 리브 높이이다.
테스트 재료(또는 코어 자체), 분리막 재료 샘플, 및 분리막 측면의 각각의 조합을 6번 테스트하였다. 당김 중에 관찰된 최대 및 평균 힘을 기록하였고, 각각의 조합에 대한 마찰 계수를 계산하기 위해서 이용하였다. 이론에 의해서 구속되길 원치 않으면서, 최대 및 평균 마찰 계수는 각각 최대 및 평균 운동 마찰 계수인 것으로 생각한다. 결과를 이하의 표 1에 기재하였다.
Figure pct00001
표 1. 당김 중에 관찰되는 최대 힘 및 평균 힘 모두뿐만 아니라, 각각의 힘의 값을 기초로 하는 계산된 마찰 계수를 보여주는, 일정 속도로 테스트 표면에 걸쳐 상이한 배터리 분리막 재료들을 당길 때 인가되는 힘(뉴튼). 각각의 값은 6번의 시도의 평균이다.
개시내용의 기본적인 원리로부터 벗어나지 않고도, 전술한 실시예의 상세 부분에 대해서 변화가 이루어질 수 있다는 것이, 당업자에게 자명할 것이다. 그에 따라, 본 개시내용의 범위는 이하의 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims (22)

  1. 배터리 분리막 재료의 롤이며:
    외측 표면을 포함하는 코어;
    상기 코어 주위에 롤링된 배터리 분리막 재료; 및
    상기 코어의 외측 표면에 대한 상기 배터리 분리막 재료의 측방향 이동을 방지하기 위한, 상기 코어의 외측 표면의 적어도 일부 상의 마찰 향상 표면으로서, 상기 마찰 향상 표면은 상기 코어 상의 배터리 분리막 재료의 마찰 저항을, 상기 마찰 향상 표면이 없는 코어에 비해서, 적어도 1.75배만큼 증가시키는 한편, 상기 코어의 외측 표면의 충분한 해제 특성을 유지하는, 마찰 향상 표면을 포함하는, 롤.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 향상 표면은 상기 코어의 외측 표면에 부착된 마찰 향상 재료를 포함하는, 롤.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마찰 향상 재료는 상기 코어의 외측 표면에 도포된 재료의 하나 이상의 스트립 또는 재료의 슬리브를 포함하는, 롤.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마찰 향상 재료는 상기 분리막 재료가 상기 롤로부터 풀릴 때 당겨질 방향에 대해서, 평행하게, 수직으로, 또는 45°의 각도를 포함하는 각도로 부착된 재료의 하나 이상의 스트립을 포함하는, 롤.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 마찰 향상 재료는 샌드페이퍼 또는 고무 재료를 포함하는, 롤.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 카드보드 코어 또는 플라스틱 코어를 포함하는, 롤.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 향상 표면은 상기 코어의 외측 표면을 완전히 덮는, 롤.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 향상 표면에서의 정지 마찰 계수는 상기 마찰 향상 표면이 없는 코어의 외측 표면에 비해서 2배 내지 3배의 정지 마찰 계수인, 롤.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 향상 표면에서의 운동 마찰 계수는, 상기 마찰 향상 표면이 없는 코어의 외측 표면에 비해서, 2배 내지 3배의 운동 마찰 계수인, 롤.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 향상 표면은, 상기 마찰 향상 표면이 없는 코어에 비해서, 적어도 1.75배만큼, 적어도 2배만큼, 또는 적어도 2 내지 3배만큼, 상기 코어 상의 배터리 분리막 재료의 마찰 저항을 증가시키는, 롤.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 향상 표면은 적어도 0.8의 최대 운동 마찰 계수를 상기 배터리 분리막 재료에 제공하는, 롤.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 향상 표면은 적어도 0.6의 상기 배터리 분리막 재료에 대한 평균 운동 마찰 계수를 상기 배터리 분리막 재료에 제공하는, 롤.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 분리막 재료가 폴리올레핀-계 분리막 재료를 포함하는, 롤.
  14. 리브형 재료를 롤링하는 방법이며:
    외부 연부에 의해서 형성되는 폭을 갖는 외측 표면을 갖는 원통형 형상의 코어를 제공하는 단계;
    코어의 상기 외측 표면의 적어도 일부 상에서 마찰 향상 표면을 형성하는 단계;
    적어도 하나의 리브형 표면을 갖고 상기 코어의 폭과 동일하거나 그 미만인 폭을 갖는 리브형 재료의 연속적인 시트를 제공하는 단계;
    상기 코어의 외부 연부가 상기 리브형 재료의 외부 연부와 동일 높이가 되거나 이를 넘어서 연장되기에 충분하게, 상기 리브형 재료를 상기 코어의 외부 표면 상에서 충분히 정렬시키는 단계;
    상기 리브형 재료를 상기 마찰 향상 표면과 마찰 결합시키는 단계; 및
    상기 리브형 재료의 외부 연부를 상기 코어의 외부 연부에 의해서 형성된 경계와 동일 높이로 또는 그 내측에서 유지하면서 상기 리브형 재료를 장력 하에서 상기 코어의 외측 표면 주위에 권취하는 단계로서, 상기 리브형 재료의 권취된 롤의 측면 가장자리는 실질적으로 동일 높이의 측면 표면을 형성하도록 정렬되는, 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    배터리 분리막 재료는 상기 코어의 외측 표면 주위에 권취되는 편평한 후방 측면을 포함하는, 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    배터리 분리막 재료는 상기 코어의 외측 표면 주위에 권취되는 리브형 표면을 포함하는, 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 리브형 재료는 상기 리브형 재료의 적어도 하나의 표면 상에서 길이방향으로-배향된 리브를 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 리브형 재료는 배터리 분리막 재료를 포함하는, 방법.
  19. 배터리 제조 방법이며:
    배터리 분리막 재료의 제1 롤을 제공하는 단계로서, 상기 제1 롤은:
    외측 표면을 포함하고 외부 연부를 갖는 제1 코어;
    외부 연부를 갖고, 상기 제1 코어와 동일하거나 그보다 좁은 폭을 갖고, 그리고 상기 제1 코어의 외부 연부가 제1 배터리 분리막 재료의 외부 연부와 동일 높이이거나 이를 넘어서 연장되기에 충분하게 상기 제1 코어의 외부 표면과 정렬된, 제1 배터리 분리막 재료; 및
    상기 제1 코어의 외측 표면의 충분한 해제 특성을 유지하면서, 상기 제1 코어의 외측 표면에 대한 상기 제1 배터리 분리막 재료의 측방향 이동을 방지하기 위한, 상기 제1 코어의 외측 표면의 적어도 일부 상의 마찰 향상 표면을 포함하는, 단계;
    상기 제1 배터리 분리막 재료의 나머지 부분의 외부 연부를 상기 제1 코어의 외부 연부와 동일 높이에서 또는 그 내측에서 유지하면서, 상기 제1 배터리 분리막 재료의 일부를 상기 제1 롤로부터 풀고 상기 제1 배터리 분리막 재료의 일부를 배터리 제조 장비에 공급하는 단계; 및
    상기 제1 배터리 분리막 재료 상의 당김이 없이, 상기 제1 배터리 분리막 재료 내의 반동의 유발이 없이, 또는 그 둘 모두가 없이, 상기 제1 배터리 분리막 재료의 나머지 부분을 풀고 상기 제1 배터리 분리막 재료의 나머지 부분을 상기 제1 코어로부터 해제하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    배터리 분리막 재료의 제2 롤을 제공하는 단계로서, 상기 제2 롤은:
    외측 표면을 포함하고 외부 연부를 갖는 제2 코어;
    외부 연부를 갖고, 상기 제2 코어와 동일하거나 그보다 좁은 폭을 갖고, 그리고 상기 제2 코어의 외부 연부가 제2 배터리 분리막 재료의 외부 연부와 동일 높이이거나 이를 넘어서 연장되기에 충분하게 상기 제2 코어의 외부 표면 상에 배치된, 제2 배터리 분리막 재료; 및
    상기 제2 코어의 외측 표면의 충분한 해제 특성을 유지하면서, 상기 제2 코어의 외측 표면에 대한 상기 제2 배터리 분리막 재료의 측방향 이동을 방지하기 위한, 상기 제2 코어의 외측 표면의 적어도 일부 상의 마찰 향상 표면을 포함하는, 단계;
    상기 제2 배터리 분리막 재료의 나머지 부분의 외부 연부를 상기 제2 코어의 외부 연부와 동일 높이에서 또는 그 내측에서 유지하면서, 상기 제2 배터리 분리막 재료의 일부를 상기 제2 롤로부터 풀고 상기 제2 배터리 분리막 재료의 일부를 배터리 제조 장비에 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2 배터리 분리막 재료의 일부를 배터리 제조 장비에 공급하는 단계는, 배터리 분리막 재료를 배터리 제조 장비에 계속 공급하기 위해서, 상기 제1 코어로부터 해제된 제1 배터리 분리막 재료의 단부를 상기 제2 배터리 분리막 재료의 시작부와 테이핑 작업하거나 중첩시키는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제1 롤이 제1항의 롤을 포함하는, 방법.
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