KR20220020493A - 다수의 가압 롤러를 포함하는 분리막 손상 검출 장치 및 이를 사용한 분리막 손상 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리막 손상 검출 장치 및 이를 사용한 분리막 손상 검출 방법에 관한 것으로, 전극 조립체의 양극 및 음극에 연결되어 분리막 손상 여부를 검출하는 검출부; 및 상기 전극 조립체의 상면을 가압하는 제1 가압부 및 전극 조립체의 하면을 가압하는 제2 가압부를 포함하는 가압부; 를 포함하며, 상기 제1 가압부 및 제2 가압부는 일 방향으로 평행하게 배열된 다수의 가압 롤러를 포함한다.

Description

다수의 가압 롤러를 포함하는 분리막 손상 검출 장치 및 이를 사용한 분리막 손상 검출 방법{APPARATUS FOR DETECTING A DEFECT OF BATTERY SEPARATOR INCLUDING A PLURALITY OF PRESSING ROLLERS AND METHOD FOR DETECTING A DEFECT OF BATTERY SEPARATOR USING SAME}
본 발명은 분리막 손상 검출 장치 및 이를 사용한 분리막 손상 검출 방법에 관한 것으로, 상세하게는 다수의 가압 롤러를 포함하는 분리막 손상 검출 장치 및 이를 사용한 분리막 손상 검출 방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
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 전지에는 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. 이와 같이 제조된 전극조립체는 불량 검사과정을 거친 다음 전해액과 함께 외장재에 밀봉 수납된다.
도 1은 종래의 분리막 손상 검출 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 분리막 손상 검출 장치(1)는 전극 조립체(10)에 연결되며, 양극(11)과 음극(12)에 고전압을 인가할 수 있는 장비를 포함하는 검출부(20)를 통해 전극조립체에 흐르는 누설 전류량을 측정하는 방법이 있다. 이 때 분리막(13)에 손상(찢김 또는 접힘)이 있을 경우 상 부위(공기층)에 아크가 발생하고 누설 전류가 검출될 수 있다. 이때, 상기 누설 전류가 정상 범위를 넘어가면 분리막에 손상이 있는 것으로 불량으로 판정한다. 그러나 이 경우 높은 전압을 인가함으로써 오히려 양품의 전극 조립체의 불량화 가능성이 높다는 단점이 있다.
또한, 분리막 손상 여부를 판정하기 위한 방법으로서, 전극 조립체(10)에 압력을 가하면서 전압을 인가하는 방법이 있다. 이 경우 분리막(13)의 손상된 틈을 가압하여 전극 조립체(10)에 의도적으로 단락을 발생시킬 수 있으며, 이를 위해 전극 조립체(10)의 상면과 하면에 전극 조립체를 가압할 수 있는 가압 플레이트(30)가 구비된다. 그러나 이 경우 전극 조립체에 면 압력을 인가하게 되므로 전극 조립체에 높은 압력을 인가하여야 한다. 이에 따라 압력 인가시간이 증가하여 생산성이 저하되고, 높은 압력을 인가하는 결과 전극 조립체가 손상될 수 있다는 문제가 있다. 또한 전극 조립체의 요철 또는 두께 차이에 의해 미가압되는 부분이 발생됨에 따라 검출의 정확성이 감소할 수 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.
일본공개특허 제2001-236985호
본 발명은 상기와 같은 문제 해결을 위해 안출된 것으로, 전극 조립체에 낮은 전압 및 낮은 압력을 인가함으로써 전지셀의 손상을 방지하고, 공정의 생산성을 확보할 수 있는 분리막 손상 검출 장치 및 이를 사용한 분리막 손상 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전극 조립체의 전면에 누락되는 부분 없이 균일한 압력을 가함으로써 검출의 정확성을 높일 수 있는 분리막 손상 검출 장치 및 이를 사용한 분리막 손상 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치는, 양극, 분리막 및 음극이 순차 적층된 구조의 전극 조립체에 대한 분리막 손상 검출 장치에 있어서, 상기 전극 조립체의 양극 및 음극에 연결되어 분리막 손상 여부를 검출하는 검출부; 및 상기 전극 조립체의 상면을 가압하는 제1 가압부 및 전극 조립체의 하면을 가압하는 제2 가압부를 포함하는 가압부; 를 포함하며, 상기 제1 가압부 및 제2 가압부는 일 방향으로 평행하게 배열된 다수의 가압 롤러를 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 다수의 가압 롤러들은 상기 전극 조립체에 대하여 선압을 인가한다.
구체적인 예에서, 상기 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러의 개수는 서로 동일한다.
구체적인 예에서, 상기 2열로 평행하게 배열된 다수의 가압 롤러에서, 상기 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러들은 각각 배열 방향을 기준으로 소정의 간격으로 이격되어 있다.
상기 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 구성하는 가압 롤러들은 가압면을 기준으로 서로 대칭으로 배열된다.
한편, 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치는 상기 전극 조립체를 가압부로 이송하고, 분리막 손상 여부가 검출된 전극 조립체를 가압부로부터 이송하는 이송부를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치는 상기 가압 롤러 사이의 간격, 가압 롤러의 기울기 및 가압 롤러가 전극 조립체를 가압하는 면적을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 가압 롤러 사이의 간격, 가압 롤러의 기울기 및 가압 롤러가 전극 조립체를 가압하는 면적은 각각의 가압 롤러에 대하여 독립적으로 제어된다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 분리막 손상 검출 장치를 사용한 분리막 손상 검출 방법을 제공하는바, 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법은 전극 조립체를 준비하는 단계; 상기 전극 조립체에 검출부를 연결하고, 설정된 전압 또는 전류를 인가하는 단계; 제1 가압부 및 제2 가압부를 포함하는 가압부로 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계; 및 분리막 손상 여부를 검출하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계는, 상기 전극 조립체를 제1 가압부와 제2 가압부 사이의 공간에서 일 방향 또는 그 반대방향으로 1회 이상 이동시키는 과정을 포함한다.
본 발명의 제1 실시 형태에서, 상기 전극 조립체의 이동 방향은 전극 탭의 인출 방향과 동일한다.
본 발명의 제2 실시 형태에서, 상기 전극 조립체의 이동 방향은 전극 탭의 인출 방향에 수직이다.
본 발명의 제3 실시 형태에서, 상기 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계는, 상기 전극 조립체의 가압 부위별 두께에 따라 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러 사이의 간격을 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함한다.
본 발명의 제4 실시 형태에서, 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계는, 상기 전극 조립체의 가압 부위별 두께에 따라 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러의 기울기를 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함한다.
본 발명의 제5 실시 형태에서, 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계는, 상기 전극 조립체의 가압 부위별 두께에 따라 가압 롤러가 전극 조립체를 가압하는 면적을 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함한다.
본 발명은 플레이트 형상 대신 롤러 형상의 가압부를 사용하여 전극 조립체를 가압함으로써 전극 조립체에 면압이 아닌 선압을 가할 수 있으므로, 전극 조립체에 상대적으로 낮은 압력 및 전압을 인가할 수 있고, 가압을 위한 라인 변경 없이 하나의 라인에서 가압, 주행 및 측정이 가능한 바 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 가압부를 구성하는 다수의 가압 롤러의 가압 형태를 독립적으로 제어함으로써, 적은 횟수의 측정으로도 누락되는 부분 없이 균일한 압력을 가함으로써 검출의 정확성을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 분리막 손상 검출 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치의 형상 및 작동을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서 가압부의 가압 방향을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서, 가압 롤러 사이의 간격을 제어하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서, 가압 롤러의 기울기를 제어하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서, 가압 롤러가 전극 조립체를 가압하는 면적을 제어하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 10은 실시예 및 비교예에서 인가되는 전압에 따른 누설 전류를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 “상에” 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치의 형상 및 작동을 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 양극(111), 분리막(113) 및 음극(112)이 순차 적층된 구조의 전극 조립체(110)에 대한 분리막 손상 검출 장치로서, 상기 전극 조립체(110)의 양극(111) 및 음극(112)에 연결되어 분리막(113) 손상 여부를 검출하는 검출부(120); 및 상기 전극 조립체(110)의 상면을 가압하는 제1 가압부(131) 및 전극 조립체(110)의 하면을 가압하는 제2 가압부(132)를 포함하는 가압부(130); 를 포함하며, 상기 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)는 일 방향으로 평행하게 배열된 다수의 가압 롤러(133)를 포함한다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 분리막 손상 검출 장치는 전극 조립체에 압력을 가하지 않은 상태에서 높은 전압을 인가함에 따라 양품의 전극 조립체를 손상시킬 수 있다. 또는 가압 플레이트를 사용하여 전극 조립체를 면 가압함에 따라 압력 인가시간이 증가하여 생산성이 저하되고, 전극 조립체의 요철 또는 두께 차이에 의해 미가압되는 부분이 발생될 수 있다.
본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치는, 롤러 형상의 가압부를 사용하여 전극 조립체를 가압함으로써 전극 조립체에 면압이 아닌 선압을 가할 수 있으므로, 전극 조립체에 상대적으로 낮은 압력 및 전압을 인가할 수 있고, 가압을 위한 라인 변경 없이 하나의 라인에서 가압, 주행 및 측정이 가능한 바 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 가압부를 구성하는 다수의 가압 롤러의 가압 형태를 독립적으로 제어함으로써, 적은 횟수의 측정으로도 누락되는 부분 없이 균일한 압력을 가함으로써 검출의 정확성을 높일 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치(100)에서, 전극 조립체(110)는 양극(111), 분리막(113) 및 음극(112)이 순차 적층된 구조이다.
상기 양극(111)은 양극 집전체(미도시) 상에 양극 활물질을 포함하는 양극 슬러리가 도포되어 양극 활물질층(미도시)이 형성된 것이며, 음극(112)은 음극 집전체(미도시) 상에 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리가 도포되어 음극 활물질층(미도시)이 형성된 것이다. 상기 분리막(113)은 상기 양극과 음극 사이를 절연하고, 이온이 전도될 수 있는 통로를 제공하는 다공성 구조이다. 상기 양극, 음극 및 분리막의 종류 및 형태는 제조하고자 하는 전지셀에 따라 적절히 설정할 수 있으며, 이에 관한 자세한 내용은 통상의 기술자에게 이미 공지되어 있는바 자세한 설명을 생략한다.
상기 양극(111) 및 음극(112)에는 분리막 손상 여부를 검출하는 검출부(120)가 연결된다. 상기 검출부(120)는 양극 및 음극으로부터 인출된 양극 탭(미도시) 및 음극 탭(미도시)에 연결될 수 있다.
상기 검출부(120)는 전극 조립체(110)에 설정된 전압 또는 전류를 인가하는 충방전부 및 이 때 전극 조립체(110)에 발생하는 누설 전류를 감지하기 위한 측정부(미도시)를 포함한다. 구체적으로 상기 검출부(120)로는 Hi-Pot Test 장비가 채용될 수 있다. 한편, 상기 충방전부가 전극 조립체에 대하여 정전압을 인가할 경우, 전압의 크기는 30 내지 100V, 상세하게는 40 내지 80V 범위일 수 있다.
또한 상기 측정부는 상기 설정된 전압 또는 전류로부터 전극 조립체의 절연 저항을 측정하는 것일 수 있다. 상기 절연 저항은 공지의 절연 저항 측정기로부터 측정될 수 있으며, 구체적으로 절연 저항은 임피던스 분광법(EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy) 등에 의해 측정될 수 있다.
한편, 가압부(130)는 전극 조립체(110)를 양면에서 가압하며, 이를 위해 전극 조립체(110)의 상면을 가압하는 제1 가압부(131) 및 전극 조립체(110)의 하면을 가압하는 제2 가압부(132)를 포함한다. 상기 가압부(130)는 전극 조립체(110)를 가압하여 분리막이 손상된 부분에 일시적인 단락을 유도함으로써 분리막 손상 여부를 검출할 수 있도록 구성된다. 이와 같이 음극(112)과 양극(111) 사이에 단락이 유도되면 통전으로 인해 누설 전류가 검출되며, 절연 저항이 감소하는 것이다. 예를 들어, 전극 조립체(110)가 양품이라면 전극 조립체(110)의 저항값은 이상적인 무한대의 값이 되므로 수백 MΩ 이상의 큰 값이 얻어지며, 반대로 분리막(113)에 손상이 발생하여 양극(111)과 음극(112) 사이의 절연성이 파괴된 경우 낮은 절연 저항 값이 얻어질 것이다. 전극 조립체(110)에서 기준값 이상의 누설 전류가 검출되거나, 기준값 이하의 절연 저항 값이 얻어질 경우 불량으로 판정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)는 일 방향으로 평행하게 배열된 다수의 가압 롤러(133)를 포함한다. 즉 상기 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)는 이를 구성하는 가압 롤러(133)가 롤링하면서 전극 조립체(110)를 일측 단부로부터 반대측 단부로 순차적으로 가압하게 된다. 이에 따라 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치(100)는 가압이 없는 경우의 인가 전압에 대하여 10% 이하 수준의 낮은 전압을 인가해도 분리막 손상 검출이 가능하다. 또한 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)를 롤러 형상으로 제작함에 따라 가압을 위한 라인 변경 없이 하나의 라인에서 가압, 주행 및 측정이 가능하다.
아울러 상기 다수의 가압 롤러(133)들은 상기 전극 조립체(110)에 대하여 선압을 인가한다. 이에 따라 종래의 가압 플레이트로 전극 조립체를 면 가압하는 경우에 비해 셀 단위 면적당 받는 압력을 증가시킬 수 있으므로, 전극 조립체(110)를 면 가압하는 경우보다 적은 압력으로도 단락을 일으킬 수 있다. 이로써 압력 인가에 소요되는 시간이 감소하여 공정의 생산성을 향상시킬 수 있고, 전극 조립체의 손상되지 않은 부분이 과도한 압력 인가에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 가압부(131)를 구성하는 다수의 가압 롤러(133) 및 제2 가압부(132)를 구성하는 다수의 가압 롤러(133)는 소정의 간격으로 이격되어 있으며, 이격된 공간에 전극 조립체가 투입된다. 상기 가압 롤러(133) 사이의 간격은 전극 조립체를 균일한 압력으로 가압할 수 있도록 후술하는 바와 같이 전극 조립체의 위치별 두께에 따라 변동될 수 있다.
상기 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)를 구성하는 가압 롤러(133)는 서로 대향하는 상태에서 전극 조립체(110)를 가압하도록 그 개수를 서로 동일하게 할 수 있다. 이 때 제1 가압부(131)와 제2 가압부(132) 사이에서 전극 조립체(110)가 이동하도록, 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)에서 일 방향으로 평행하게 배열된 가압 롤러(133)들의 회전 방향은 서로 동일하며, 제1 가압부(131)를 구성하는 가압 롤러(133)와 제2 가압부(132)를 구성하는 가압 롤러(133)들의 회전 방향은 서로 반대이다.
또한 상기 2열로 평행하게 배열되어 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)를 구성하는 다수의 가압 롤러(133) 들은 각각 배열 방향을 기준으로 소정의 간격으로 이격된다. 이는 인접하는 가압 롤러(133)의 회전 및 동작이 방해받는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 상기 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)를 구성하는 구성하는 가압 롤러(133)들은 가압면을 기준으로 서로 대칭으로 배열된다. 즉 제1 가압부(131)를 구성하는 가압 롤러(133) 및 제2 가압부(132)를 구성하는 가압 롤러(133)의 수가 동일하고, 서로 대칭으로 배열되므로, 제1 가압부(131)를 구성하는 가압 롤러(133)의 하단과 이와 마주보는 가압 롤러(133)의 상단이 정확히 대향한 상태에서 전극 조립체를 선 가압할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치(100)는 상기 전극 조립체를 가압부로 이송하고, 분리막 손상 여부가 검출된 전극 조립체를 가압부로부터 이송하는 이송부(140)를 더 포함한다. 또한, 상기 이송부(140)는, 가압부(130)에서 분리막 손상 검출이 완료된 전극 조립체(110)를 가압부(130)로부터 이송하여 다음 공정으로 진행시킬 수 있다. 이 때, 가압부(130)는 이송부(140) 사이에서 고정될 수 있고, 상기 이송부(140)에 의해 전극 조립체(110)가 가압부(130)를 통과하는 방식으로 가압이 진행될 수 있다. 즉 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치(100)는 가압부(130)가 전극 조립체(110)의 표면 상에서 직접 움직이면서 전극 조립체(110)를 가압하는 것이 아니라, 가압부(130)가 일 위치에 고정된 상태에서 전극 조립체(110)가 이송부(140) 및 가압부(130)에 포함된 가압 롤러(133)의 회전에 의해 이동할 수 있다. 이를 통해 가압을 위한 라인 변경 없이 하나의 라인에서 가압, 주행 및 측정이 가능한 바 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기 이송부(140)의 형태에는 특별한 제한은 존재하지 않으며, 예를 들어 전극 조립체를 지지하고 이송하는 이송 컨베이어(미도시) 및 상기 이송 컨베이어를 지지하고, 회전에 의해 이송 컨베이어가 움직이는 구동력을 제공하는 이송 롤러를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 제어부(150)를 더 포함한다. 제어부(150)는 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치(100)의 작동을 제어하는바, 가압부(130), 검출부(120) 및 이송부(140) 등의 작동을 제어한다. 예를 들어, 가압부(130) 및 이송부(140)에 있어 가압 롤러(133)의 회전 속도 및 전극 조립체(110)의 이송 속도 등을 제어하며, 충방전 여부를 제어하고, 전극 조립체의 누설 전류 또는 절연 저항으로부터 분리막 손상 여부를 판별할 수 있다.
특히, 상기 제어부(150)는 가압부(130)를 구성하는 다수의 가압 롤러(133)의 작동을 제어한다. 구체적으로 제어부(150)는 상기 가압 롤러(133) 사이의 간격, 가압 롤러(133)의 기울기 및 가압 롤러(133)가 전극 조립체(110)를 가압하는 면적을 제어한다.
이 때 상기 가압 롤러(133) 사이의 간격, 가압 롤러(133)의 기울기 및 가압 롤러(133)가 전극 조립체(110)를 가압하는 면적은 각각의 가압 롤러(133)에 대하여 독립적으로 제어될 수 있으며, 이는 전극 조립체(110)의 위치별 두께에 따라 제어될 수 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치는 전극 조립체의 두께를 측정할 수 있는 센서(미도시)를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치(100)는 전극 조립체(110)의 위치별 두께에 따라 가압부(130)를 구성하는 다수의 가압 롤러(133)의 가압 형태를 독립적으로 제어함으로써, 적은 횟수의 측정으로도 누락되는 부분 없이 균일한 압력을 가함으로써 검출의 정확성을 높일 수 있다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 분리막 손상 검출 장치를 사용한 분리막 손상 검출 방법을 제공한다.
도 4는 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법은 전극 조립체를 준비하는 단계(S10); 상기 전극 조립체에 검출부를 연결하고, 설정된 전압 또는 전류를 인가하는 단계(S20); 제1 가압부 및 제2 가압부를 포함하는 가압부로 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계(S30); 및 분리막 손상 여부를 검출하는 단계(S40)를 포함한다.
본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법은, 롤러 형상의 가압부를 사용하여 전극 조립체를 가압함으로써 전극 조립체에 면압이 아닌 선압을 가할 수 있으므로, 전극 조립체에 상대적으로 낮은 압력 및 전압을 인가할 수 있고, 가압을 위한 라인 변경 없이 하나의 라인에서 가압, 주행 및 측정이 가능한 바 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 4를 도 2 및 도 3과 함께 참조하면, 먼저 전극 조립체(110)가 준비되고, 이후 전극 조립체(110)를 검출부에 연결한다. 구체적으로 전극 조립체의 전극 탭(미도시) 부분을 검출부(120)에 연결한다. 검출부(120)의 +핀(미도시)은 양극 탭에, -핀(미도시)은 음극 탭에 연결한다. 전극 조립체에는 다수의 양극 탭 및 음극 탭이 존재하는데, 상하로 포개져 있는 다수의 양극 탭 및 음극 탭을 일체로 수직을 눌러줌으로써 양극 탭 모두와 음극 탭 모두를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 검출부는 상기 전극 조립체에 일정한 전압 또는 전류를 인가한다.
이후, 전극 조립체(110)의 양면이 가압된다. 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서 가압부의 가압 방향을 나타낸 개략도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 전극 조립체(110)를 구성하는 전극은 외부와의 연결을 위한 단자 역할을 하는 전극 탭(160)을 포함할 수 있는데, 상기 전극 탭(160)은 전극 조립체의 일측으로부터 인출되는 형태이며, 그 형상 및 위치는 통상의 기술자에 의해 적절히 설계될 수 있다. 도 5에서, 전극 조립체의 양측에 전극 탭이 인출되는 형태이며, 이 때 양 측에 인출된 전극 탭은 서로 다른 극성이다.
본 발명에서, 가압부(130)는 전극 조립체(110)를 일 방향으로 순차적으로 가압하며, 전극 조립체(110)는 제1 가압부(131) 및 제2 가압부(132)를 구성하는 다수의 가압 롤러(133) 사이에서 이동하면서 가압된다. 이에 따라 전극 조립체(110)는 한쪽 가장자리에서 그 반대쪽 가장자리까지 설정된 압력으로 균일하게 가압될 수 있다.
이 때, 도 5를 참조하면, 상기 전극 조립체(110)의 이동 방향은 전극 탭(160)의 인출 방향과 동일하다. 이에 따라 전극 조립체(110)는 전극 탭(160)이 형성된 일 측면부터 순차적으로 가압된다.
또한 도 6을 참조하면 상기 전극 조립체(110)의 이동 방향은 전극 탭(160)의 인출 방향에 수직이다. 이 경우 전극 조립체(110)는 전극 탭(160)이 인출되지 않은 일 측면부터 순차적으로 가압된다.
또한, 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서, 상기 전극 조립체(110)는 도 5와 같이 전극 탭(160)의 인출 방향으로 이동하여 가압된 후, 90도 회전하여 도 6과 같이 전극 탭(160)의 인출 방향에 수직인 방향으로 이동하여 가압될 수 있다. 이를 통해 가압이 미진할 수 있는 부분을 두 번에 걸쳐 가압할 수 있고, 분리막 검출의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 전극 조립체는 제조과정 또는 충방전 과정에서 위치별 두께에 차이가 발생할 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체는 제조 과정에서 가운데 부분과 양 측 탭 형성 부분의 두께가 다를 수 있다. 또한 전극 조립체가 충방전 과정에서 스웰링 현상으로 인해 부위별 두께에 차이가 발생할 수 있다. 이 경우 도 1과 같이 가압 플레이트를 사용할 경우 미가압 부분이 발생하므로 검출 결과의 정확성 및 신뢰성이 감소할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서, 가압 롤러 사이의 간격을 제어하는 공정을 나타낸 모식도이며, 도 8은 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서, 가압 롤러의 기울기를 제어하는 공정을 나타낸 모식도이다. 또한 도 9는 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법에서, 가압 롤러가 전극 조립체를 가압하는 면적을 제어하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 7을 참조하면, 상기 전극 조립체(110)의 양면을 가압하는 단계는, 상기 전극 조립체의 가압 부위별 두께에 따라 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러(133) 사이의 간격을 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함한다. 구체적으로 도 7의 (a)는 전지셀의 스웰링 등으로 인해 가운데 부분의 두께가 양 측면의 두께보다 큰 경우이며, (b)는 양 측면의 두께가 가운데 부분의 두께가 큰 경우이다.
도 7을 참조하면, 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 각각의 가압 롤러(133)들은 전극 조립체(110)의 두께에 따라 상승과 하강을 반복하면서 전극 조립체를 가압하는바, 전극 조립체(110)의 두께에 상관없이 균일한 압력을 가할 수 있다.
도 8을 참조하면, 전극 조립체(110)의 양면을 가압하는 단계는, 상기 전극 조립체(110)의 가압 부위별 두께에 따라 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러(133)의 기울기를 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함한다. 이 때 가압 롤러의 기울기란 가압 롤러가 수평면과 이루는 각도(θ)를 의미한다. 예를 들어 수평면은 전극 탭의 인출 방향과 평행한 평면을 의미한다.
도 8의 (a) 내지 (c)는 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 다수의 가압 롤러(133) 중 어느 한 쌍이 전극 조립체(110)를 가압하는 모습을 나타낸 것으로, 예를 들어 (a) 내지 (c)에 도시된 가압 롤러들은 롤러의 배열 방향을 기준으로 서로 인접한 것일 수 있다. 또한 전극 조립체(110)는 스웰링 등에 의해 가운데 부분이 부푼 형상이며, 상기 전극 조립체(110)는 도 6과 같이 전극 탭(160)의 인출 방향에 수직인 방향으로 이동한다.
도 8을 참조하면, 가압부를 구성하는 가압 롤러(133) 중 어느 한 쌍은 (a)와 같이 전극 탭(160)이 인출된 방향과 평행하게 배열된 상태에서 전극 조립체를 가압할 수 있다. 다만 이 경우 전극 탭(160)이 인출된 양측 가장자리 부분은 (a)와 같이 배열된 가압 롤러(133)에 의해 가압되지 않는다. 이 때 가압부를 구성하는 가압 롤러(133) 중 어느 한 쌍은 (b)와 같이 배열된 상태에서 전극 조립체(110)를 가압하고, 가압 롤러(133) 중 또 다른 어느 한 쌍은 (c)와 같이 배열된 상태에서 전극 조립체(110)를 가압함으로써, 미가압되는 영역 없이 전극 조립체의 모든 영역을 고르게 가압할 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 전극 조립체(110)의 양면을 가압하는 단계는, 상기 전극 조립체(110)의 가압 부위별 두께에 따라 가압 롤러(133)가 전극 조립체(110)를 가압하는 면적을 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함한다. 여기서 가압 롤러(133)가 전극 조립체(110)를 가압하는 면적은 가압 롤러(133)가 전극 조립체(110)와 접촉하는 부분의 위치와 관련이 있다.
도 9의 (a) 내지 (c)는 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 다수의 가압 롤러(133) 중 어느 한 쌍이 전극 조립체(110)를 가압하는 모습을 나타낸 것으로, 예를 들어 (a) 내지 (c)에 도시된 가압 롤러(133)들은 롤러의 배열 방향을 기준으로 서로 인접한 것일 수 있다. 또한 전극 조립체(110)는 스웰링 등에 의해 가운데 부분이 부푼 형상이며, 상기 전극 조립체(110)는 도 6과 같이 전극 탭(160)의 인출 방향에 수직인 방향으로 이동한다.
도 9를 참조하면, 가압부를 구성하는 가압 롤러(133) 중 어느 한 쌍은 (a)와 같이 전극 조립체(110)의 가운데 부분을 가압함으로써, 가압 롤러(133)가 전극 조립체(110)를 가압하는 면적을 최대화할 수 있다. 다만 이 경우 전극 탭(160)이 인출된 양측 가장자리 부분은 가압 롤러(133)에 의해 가압되지 않는다. 이 때 가압부를 구성하는 가압 롤러(133) 중 어느 한 쌍은 (b)와 같이 전극 조립체(110)의 일측으로 치우친 상태에서 전극 탭(160)이 인출된 부근의 영역만 가압할 수 있다. 또한 가압 롤러(133) 중 또 다른 어느 한 쌍은 (c)와 같이 전극 조립체(110)의 타측으로 치우친 상태에서 전극 탭(160)이 인출된 부근의 영역만 가압할 수 있다.
또한 도 9의 가압 롤러(133)는 모두 전극 탭(160)이 인출된 방향과 평행하게 배열된 상태에서 전극 조립체(110)를 가압하는 모습을 도시하였으나, 도 8과 같이 가압 롤러(133)의 기울기를 적절히 변경하여 전극 조립체(110)를 가압할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 장치는 전극 조립체의 위치별 두께에 따라 가압부를 구성하는 가압 롤러의 가압 형태를 제어함으로써, 누락되는 부분 없이 균일한 압력을 가함으로써 검출의 정확성을 높일 수 있다.
또한 가압 롤러를 전극 조립체의 상면과 하면에 각각 한 개씩 형성하여 전극 조립체를 가압할 경우 미가압 부분이 발생하는 것을 방지하기 위해 가압 롤러의 기울기 및 면적을 조절한 상태에서 여러 번 반복 측정을 해야 할 수 있다. 이에 비해 본 발명에 따른 분리막 손상 검출 방법은 다수의 가압 롤러를 사용하고, 가압 롤러의 가압 형태를 독립적으로 제어함으로써, 한 번의 측정만으로도 전극 조립체를 누락되는 부분 없이 가압할 수 있다.
이와 같이 검사가 완료되면, 정상으로 판정된 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하고 전해액을 주입하여 전지셀을 제조할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
제조예
양극 활물질로서 기능하는 Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2]O2 96.7중량부, 도전재로서 기능하는 그래파이트를 1.3중량부, 결합제로서 기능하는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 2.0중량부 혼합해서, 양극 합제를 제조했다. 얻어진 양극 합제를 용매로서 기능하는 1-메틸-2-피롤리돈에 분산시키는 것에 의해, 양극 합제 슬러리를 조제했다. 이 슬러리를 두께 20 ㎛의 알루미늄 호일의 양면에 각각 코팅, 건조, 및 압착하여 양극을 제조하였다.
음극 활물질로서 기능하는 인조흑연과 천연흑연(중량비: 90:10)를 97.6중량부, 결합제로서 기능하는 스티렌-부타디엔 고무(SBR)를 1.2중량부, 카르복시메틸 셀룰로스(CMC)를 1.2중량부 혼합해서, 음극 합제를 조제했다. 이 음극 합제를 용매로서 기능하는 이온 교환수에 분산시키는 것에 의해, 음극 합제 슬러리를 제조했다. 이 슬러리를 두께 20 ㎛의 구리 호일의 양면에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.
상기에서 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 세퍼레이터가 개재되도록 적층하여 전극 조립체를 제조하였다.
상기 전극 조립체에 대하여 30 내지 100V의 정전압(Current Voltage, CV)을 인가하여 누설 전류를 측정하였으며, 누설 전류가 검출된 전극 조립체를 불량으로 판정하였다. 이 때 누설 전류 측정은 시판되는 누설 전류 시험기 중 어느 것을 선택해도 무방하며, 예를 들어 히오키 사의 ST5540 등을 사용할 수 있다.
비교예
상기 불량으로 판정된 전극 조립체에 대하여, 제조예에서 인가된 전압의 10% 이하 수준으로 전압을 인가하여, 누설 전류가 발생하는지 여부를 판단하였다. 그 결과는 도 10에 도시하였다(가압 X로 표시).
실시예
상기 제조예에서 누설 전류가 검출된 셀에 대하여 도 3에 따른 가압부를 통해 전극 조립체를 가압한 상태에서 제조예에서 인가된 전압의 10% 이하 수준으로 전압을 인가하여, 누설 전류가 발생하는지 여부를 판단하였다. 그 결과는 도 10에 도시하였다(가압 O로 표시).
도 10을 참조하면, 상기 분리막에 손상이 발생한 전극 조립체에 대하여, 비교예와 같이 가압을 진행하지 않은 경우 낮은 전압을 인가했을 때 누설 전류가 검출되지 않았으나, 실시예와 같이 본 발명에 따른 검출 장치를 사용한 경우 낮은 전압을 인가한 경우에도 누설 전류가 검출되는 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
1, 100: 분리막 손상 검출 장치
10, 110: 전극 조립체
11, 111: 양극
12, 112: 음극
13, 113: 분리막
20, 120: 검출부
30: 가압 플레이트
130: 가압부
131: 제1 가압부
132: 제2 가압부
133: 가압 롤러
140: 이송부
150: 제어부
160: 전극 탭

Claims (15)

  1. 양극, 분리막 및 음극이 순차 적층된 구조의 전극 조립체에 대한 분리막 손상 검출 장치에 있어서,
    상기 전극 조립체의 양극 및 음극에 연결되어 분리막 손상 여부를 검출하는 검출부; 및
    상기 전극 조립체의 상면을 가압하는 제1 가압부 및 전극 조립체의 하면을 가압하는 제2 가압부를 포함하는 가압부; 를 포함하며,
    상기 제1 가압부 및 제2 가압부는 일 방향으로 평행하게 배열된 다수의 가압 롤러를 포함하는 분리막 손상 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 가압 롤러들은 상기 전극 조립체에 대하여 선압을 인가하는 분리막 손상 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러의 개수는 서로 동일한 분리막 손상 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2열로 평행하게 배열된 다수의 가압 롤러에서,
    상기 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러들은 각각 배열 방향을 기준으로 소정의 간격으로 이격되어 있는 분리막 손상 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 구성하는 가압 롤러들은 가압면을 기준으로 서로 대칭으로 배열되는 분리막 손상 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체를 가압부로 이송하고, 분리막 손상 여부가 검출된 전극 조립체를 가압부로부터 이송하는 이송부를 더 포함하는 분리막 손상 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가압 롤러 사이의 간격, 가압 롤러의 기울기 및 가압 롤러가 전극 조립체를 가압하는 면적을 제어하는 제어부를 더 포함하는 분리막 손상 검출 장치.
  8. 제8항에 있어서,
    상기 가압 롤러 사이의 간격, 가압 롤러의 기울기 및 가압 롤러가 전극 조립체를 가압하는 면적은 각각의 가압 롤러에 대하여 독립적으로 제어되는 분리막 손상 검출 장치.
  9. 제1항에 따른 분리막 손상 검출 장치를 사용한 분리막 손상 검출 방법에 있어서,
    전극 조립체를 준비하는 단계;
    상기 전극 조립체에 검출부를 연결하고, 설정된 전압 또는 전류를 인가하는 단계;
    제1 가압부 및 제2 가압부를 포함하는 가압부로 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계; 및
    분리막 손상 여부를 검출하는 단계를 포함하는 분리막 손상 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    전극 조립체의 양면을 가압하는 단계는,
    상기 전극 조립체를 제1 가압부와 제2 가압부 사이의 공간에서 일 방향 또는 그 반대방향으로 1회 이상 이동시키는 과정을 포함하는 분리막 손상 검출 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 이동 방향은 전극 탭의 인출 방향과 동일한 분리막 손상 검출 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 이동 방향은 전극 탭의 인출 방향에 수직인 분리막 손상 검출 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계는,
    상기 전극 조립체의 가압 부위별 두께에 따라 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러 사이의 간격을 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함하는 분리막 손상 검출 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계는,
    상기 전극 조립체의 가압 부위별 두께에 따라 제1 가압부 및 제2 가압부를 구성하는 가압 롤러의 기울기를 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함하는 분리막 손상 검출 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 양면을 가압하는 단계는,
    상기 전극 조립체의 가압 부위별 두께에 따라 가압 롤러가 전극 조립체를 가압하는 면적을 독립적으로 제어하는 과정을 더 포함하는 분리막 손상 검출 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001236985A (ja) 2000-02-22 2001-08-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電池の短絡検査方法及び電池の製造方法

Patent Citations (1)

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