KR20220073722A - 배터리 셀 라인포밍 유닛 - Google Patents

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KR20220073722A
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최길용
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Abstract

본 발명은 배터리 파우치 케이스의 폴딩 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 파우치 날개에 프리 폴딩 라인을 형성하여 프리 폴딩 라인을 기준으로 파우치 날개를 폴딩함으로써, 폴딩 공정에서의 사행을 방지하고 접힘량 불균일을 줄일 수 있는 배터리 셀의 파우치 케이스 폴딩 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

배터리 셀 라인포밍 유닛{Line forming unit for battery cell}
본 발명은 배터리 파우치 케이스의 폴딩 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 파우치 날개에 프리 폴딩 라인을 형성하여 프리 폴딩 라인을 기준으로 파우치 날개를 폴딩함으로써, 폴딩 공정에서의 사행을 방지하고 접힘량 불균일을 줄일 수 있는 배터리 셀의 파우치 케이스 폴딩 장치 및 방법에 관한 것이다.
이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는　전기자동차(EV), 하이브리드　전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 주목 받고 있다.
한편, 이차전지를 차량에 적재하기 위해서는 에너지 밀도 향상과 공간적 제약 해소의 과제 해결이 요구되며, 이에 대한 수단으로 전극탭이 위치되는 모서리 보다 전극탭 사이의 모서리 길이가 훨씬 긴 장폭의 배터리 셀이 제안되고 있다. 일반적인 배터리 셀의 폭이 300mm 이하인 반면, 장폭 배터리 셀은 600mm의 폭을 가지며, 초장폭 배터리 셀의 경우 600mm 이상의 폭을 갖도록 설계된다.
그러나, 장폭 또는 초장폭 배터리 셀은 전극탭 사이의 길이가 길어져 배터리 폴딩 과정에서 사행으로 인해 불량이 발생하거나, 폴딩 폭이 불균일해지는 문제점이 발생할 가능성이 증대된다.
따라서, 폴딩 과정에서 사행을 줄이고, 폴딩 폭을 균일하게 유지할 수 있는 방안이 필요한다.
한국 등록특허공보 제1766966호 (2017.08.03.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 파우치 날개에 프리 폴딩 라인을 형성하여 프리 폴딩 라인을 기준으로 파우치 날개를 폴딩함으로써, 폴딩 공정에서의 사행을 방지하고 접힘량 불균일을 줄일 수 있는 배터리 셀의 파우치 케이스 폴딩 장치와 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 예에 따른 라인포밍 유닛은, 전극 조립체가 수용되는 파우치 본체로부터 연장되는 파우치 날개를 양측에서 압착하는 제1, 제2 가압면; 상기 제1 가압면에 형성되며, 상기 제1 가압면으로부터 상기 제2 가압면을 향해 돌출되어 상기 파우치 날개의 길이방향으로 길게 연장되는 돌출부; 및 상기 제2 가압면에 형성되며, 상기 제1 가압면의 돌출부에 대응되도록 내측으로 함몰된 회피부;를 포함하며, 상기 파우치 날개에 상기 파우치 날개의 길이방향을 따라 소정 깊이로 만입된 형태의 프리 폴딩 라인을 성형할 수 있다.
상기 파우치 날개를 열 가압하여 상기 파우치 날개를 연화시키는 프리히팅 프레스와, 상기 제1, 제2 가압면을 포함하며, 상기 프리히팅 프레스에 의해 연화된 파우치 날개를 가압하여 상기 프리 폴딩 라인을 성형하는 라인포밍 프레스를 포함할 수 있다.
상기 라인포밍 프레스는, 상부 나이프, 하부 나이프, 스트리퍼 및 탄성부를 포함하며, 상기 파우치 날개의 최종 커팅시 상기 스트리퍼 하강과 동시에 상기 연화된 파우치 날개에 상기 프리 폴딩 라인을 성형할 수 있다.
상기 제1, 제2 가압면을 포함하며, 상기 파우치 날개를 열 가압하여 상기 파우치 날개를 연화시킴과 동시에 상기 프리 폴딩 라인을 성형하는 히팅 프레스를 포함할 수 있다.
상기 파우치 날개에 제1 프리 폴딩 라인을 성형하는 제1 히팅 프레스와, 상기 파우치 날개에 제2 프리 폴딩 라인을 성형하는 제2 히팅 프레스를 포함할 수 있다.
상기 제1 히팅 프레스는 상기 파우치 날개의 실링면 상에 상기 제1 프리 폴딩 라인을 성형하고, 상기 제2 히팅 프레스는 상기 파우치 날개의 비실링면 상에 상기 제2 프리 폴딩 라인을 성형할 수 있다.
상기 제2 히팅 프레스가 상기 제2 프리 폴딩 라인을 성형하기 위해 상기 파우치 날개에 가하는 열과 압력은, 상기 제1 히팅 프레스가 상기 제1 프리 폴딩 라인을 성형하기 위해 상기 파우치 날개에 가하는 열과 압력에 비해 낮을 수 있다.
상기 제1 히팅 프레스는 상기 파우치 날개를 90도 폴딩하기 이전에 상기 파우치 날개에 상기 제1 프리 폴딩 라인을 성형하고, 상기 제2 히팅 프레스는 상기 파우치 날개를 180도 폴딩한 이후 상기 180도 폴딩된 파우치 날개를 90도 추가폴딩 하기 이전에, 상기 180도 폴딩된 파우치 날개에 상기 제2 프리 폴딩 라인을 성형할 수 있다.
상기 제2 히팅 프레스는, 상기 파우치 날개가 180도 폴딩되어 형성되는 파우치 날개의 180도 폴딩부를 압착하는 제1 폴딩부 가압면과 제2 폴딩부 가압면을 더 포함하고, 상기 제1 폴딩부 가압면은 상기 제1 가압면보다 높은 위치에 형성되고, 상기 제2 폴딩부 가압면은 상기 제2 가압면과 동일선상에 형성될 수 있다.
상기 히팅 프레스는 상기 파우치 날개에 제1 프리 폴딩 라인과 제2 프리 폴딩 라인을 동시에 성형할 수 있다.
파우치 케이스를 폴딩함에 있어서, 파우치 날개에 프리 폴딩 라인을 형성하여 프리 폴딩 라인을 기준으로 파우치 날개를 폴딩함으로써, 폴딩 공정에서의 사행을 방지하고 접힘량 불균일을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 배터리 셀을 나타낸다.
도 2는 파우치 날개를 180도 폴딩한 경우 파우치 날개의 위치별 연신량 차이를 나타낸다.
도 3은 파우치 날개를 180도 폴딩한 경우 실제 폴딩 불량이 발생한 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라인포밍 유닛을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 라인포밍 유닛을 나타낸다.
도 6은 도 5의 라인포밍 유닛으로 파우치 날개를 가압하여 프리 폴딩 라인을 형성하는 것을 나타낸다.
도 7은 파우치 날개에 프리 폴딩 라인이 성형된 배터리 셀을 나타낸다.
도 8은 제1 폴딩 유닛의 제1 단위롤러의 측면을 나타낸다.
도 9는 도 8(a)의 제1 단위롤러와, 도 8(c)의 제1 단위롤러를 나타낸다.
도 10은 제3 폴딩 유닛의 제3 단위롤러의 측면을 나타낸다.
도 11은 도 10(a)의 제3 단위롤러와, 도 10(C)의 제3 단위롤러를 나타낸다.
도 12는 제2 폴딩 유닛의 제2 단위롤러의 측면을 나타낸다.
도 13은 180도 폴딩된 파우치 날개에 제2 프리폴딩 라인을 형성하는 것을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 예에 따른 파우치 케이스 폴딩 장치를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 예에 따른 파우치 케이스 폴딩 방법의 흐름도를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 배터리 셀을 나타내는 것으로, 도면상 좌측은 배터리 셀의 평면도이고, 우측은 측면도이다. 배터리 셀(10)은 전극 조립체와, 전극 조립체가 내부에 수용되는 파우치 케이스를 포함하며, 파우치 케이스는 전극 조립체가 수용되는 파우치 본체(m)와, 파우치 본체로부터 연장되는 파우치 날개(w)를 포함한다.
일반적으로 배터리 셀의 파우치 케이스는 상부 파우치와 하부 파우치로 이루어지고, 상부 파우치와 하부 파우치 사이에 전극 조립체가 수용되며, 이를 위해 상부 파우치와 하부 파우치에는 전극 조립체를 수용하기 위해 잎정 깊이로 형성된 전극 조립체 수용부가 구비된다. 그리고, 전극 조립체 수용부 주변의 상부 파우치와 하부 파우치가 맞닿은 측변부를 실링한 후, 실링된 측변부를 폴딩하면 규정된 사이즈의 폭을 가지는 배터리 셀이 제작될 수 있다. 이와 같은 배터리 셀에 있어서, 상부 파우치와 하부 파우치의 전극 조립체 수용부에 해당하는 부분이 본 발명의 파우치 본체(m)에 해당하고, 전극 조립체 주변의 상부 파우치와 하부 파우치가 맞닿은 측변부 중, 배터리 셀의 전극 탭이 위치한 테라스부를 제외한 양측의 측변부, 즉 측변부 장축이 본 발명의 파우치 날개(w)에 해당한다. 한편, 본 발명에서 도 1에 도시한 바와 같이 전극 조립체에 있어서 일측으로 돌출된 전극 탭으로부터 타측으로 돌출된 전극 탭으로의 방향을 길이방향으로 정의하기로 한다.
도 2는 파우치 날개를 180도 폴딩한 경우 파우치 날개의 위치별 연신량 차이를 나타내는 것으로, 파우치 날개(w)의 길이방향 양측 끝단 위치를 각각 A, C로 표시하고, 중간 위치를 B로 표시하였다. A, C 영역은 패키징 사이드 실링된 파우치 케이스의 측변부 중 단축인 테라스부로 인하여 연신발생이 예방됨에 따라 연신이 거의 일어나지 않는 반면, B 영역은 테라스부와 같은 연신발생을 예방하는 구조가 없어 A, C에 비해 연신이 크게 발생한다. 즉, 파우치의 실링면은 비실링면에 비해 강성이 높아 비실링면에 비해 잘 연신되지 않는 특성을 가지며, 이에 따라 A, C는 테라스부의 실링면으로 인해 연신량이 적은 반면, B는 이와 같은 구조가 없어 연신량이 크게 나타난다. 이와 같이 파우치 날개(w)의 단부(A, C)와 중앙부위(B)에 연신 차이가 발생함에 따라, 파우치 날개(w) 폴딩시 폴딩 라인에 사행이 발생하게 되고, 특히 장폭 또는 초장폭 배터리 셀의 경우 사행으로 인한 폴딩 불균열이 더욱 크게 나타날 수 있다.
도 3은 파우치 날개를 180도 폴딩한 경우 실제 폴딩 불량이 발생한 일례를 나타낸 사진으로서, 도 3과 같이 위치별 연신량 차이로 인해 파우치 날개(w)의 양단의 접힙량은 넓은 반면 중앙부위의 접힙량은 좁게 형성될 수 있다. 여기서, 중앙부위의 접힙량이 작아지게 되는 것에 영향을 주는 인자는, 패키징 사이드 실링 시 배터리 셀 아세이의 포밍 깊이, 디개싱 시 리실링의 높이, 디개싱 상태에 따라 달라지며, 공통적으로는 배터리 셀의 길이가 증가함에 따라 연신이 가능한 영역의 길이가 증가하게 되어, 장폭의 배터리 셀일수록 폴딩 불량이 발생할 위험이 증가하게 된다.
본 발명은 이러한 문제들을 해결하기 위해, 파우치 날개(w)에 프리 폴딩 라인(PFL)을 형성하고, 프리 폴딩 라인(PFL)을 기준으로 파우치 날개(w)를 폴딩함으로써, 위치별 연신량 차이를 극복하고 폴딩 공정에서의 사행을 방지할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 파우치 케이스 폴딩 장치는, 파우치 날개(w)에 파우치 날개(w)의 길이방향을 따라 소정 깊이로 만입된 형태의 프리 폴딩 라인(PFL)을 성형하는 라인포밍 유닛(100)과, 파우치 케이스(10)가 이송되는 경로에 배치되어 프리 폴딩 라인(PFL)이 형성된 파우치 날개(w)를 프리 폴딩 라인(PFL)을 기준으로 폴딩하는 폴딩 유닛(200)을 포함한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라인포밍 유닛을 나타내는 것으로, 도 4 와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 라인포밍 유닛(100A)은, 실링에 의해 강성이 강해진 파우치 날개(w)를 연화시키기 위해 파우치 날개(w)를 열 가압하는 프리히팅 프레스(110A)와, 프리히팅 프레스(110A)에 의해 연화된 파우치 날개(w)를 가압하여 프리 폴딩 라인(PFL)을 성형하는 라인포밍 프레스(120A)를 포함할 수 있다. 이와 같이 파우치 날개(w)에 프리히팅 프레스(110A)를 통해 열 가압하여 파우치 날개(w)를 연화시키고, 연화된 파우치 날개(w)를 라인포밍 프레스(120A)를 통해 가압하여 파우치 날개(w) 하부로 만입된 형태의 프리폴딩 라인(PFL)을 성형할 수 있다.
라인포밍 프레스(120A)는 파우치 날개(w)를 압착하는 상부 가압면(121A)과 하부 가압면(123A)을 포함하되, 상부 가압면(121A)에는 하부로 돌출되어 파우치 날개(w)의 길이방향으로 길게 연장되는 돌출부(122A)가 형성되고, 하부 가압면(123A)에는 상부 가압면의 돌출부(122A)에 대응되도록 하부로 함몰된 회피부(124A)가 형성되며, 이에 따라, 파우치 날개(w)가 프리히팅 프레스(110A)의 압착을 통해 연화될 수 있고, 연화된 파우치 날개(w)에 라인포밍 프레스(120A)의 압착을 통해 프리폴딩 라인(PFL)이 성형될 수 있다.
이때, 라인포밍 프레스(120A)의 상측 프레스 일측에 나이프가 더 구비되어, 상측 프레스의 하강시 나이프가 함께 하강하여 프리폴딩 라인(PFL) 성형과 파우치 날개(w)의 커팅이 동시에 이루어질 수도 있다. 보다 구체적으로, 라인포밍 프레스(120A)는 상부 나이프(126A), 하부 나이프(127A), 스트리퍼(128A) 및 탄성부(129A)를 포함하며, 파우치의 최종 커팅시 스트리퍼(128A) 하강과 동시에 연화된 실링면에 프리 폴딩 라인을 성형하게 된다. 이 때, 스트리퍼(128A)와 하부 나이프(127A)의 형상을 변경하여 프리 폴딩 라인의 형상을 변경하게 되며, 탄성부(129A)의 탄성을 조절하여 프리 폴딩 라인의 깊이를 조절하게 된다. 이와 같이 본 발명의 폴딩 장치는 배터리 셀의 비젼 얼라인 이후 파우치 날개 실링부 연화와 프리 폴딩 라인을 형성함으로써, 폴딩시 발생하는 사행의 위험을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 라인포밍 유닛을 나타내고, 도 6은 제2 실시예의 라인포밍 유닛으로 파우치 날개를 가압하여 프리 폴딩 라인을 형성하는 것을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 라인포밍 유닛(100B)은, 파우치 날개(w)를 열 가압하여 파우치 날개(w)를 연화시킴과 동시에 프리 폴딩 라인(PFL)을 성형하기 위한 히팅 프레스(110B)를 포함하고, 히팅 프레스(110B)는 파우치 날개를 압착하는 상부 가압면(111B)과 하부 가압면(113B)을 포함하되, 상부 가압면(111B)에는 하부로 돌출되어 파우치 날개(w)의 길이방향으로 길게 연장되는 돌출부(112B)가 형성되고, 하부 가압면(113B)에는 돌출부(112B)에 대응되도록 하부로 함몰된 회피부(114B)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 히팅 프레스(110B)의 압착에 의해 파우치 날개(w)가 연화됨과 동시에 파우치 날개(w)에 프리 폴딩 라인(PFL)이 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예의 라인포밍 유닛(100B)은 히팅 프레스(110B)만으로 실링면 연화와 동시에 프리폴딩 라인(PFL) 성형이 가능해져, 제1 실시예의 라인포밍 유닛(100A)이 프리히팅 프레스(110A)와 라인 포밍 프레스(120A)로 이루어지는 것에 비해 공정의 수를 줄일 수 있을 뿐 아니라 공정 속도를 높일 수 있는 장점이 있다.
도 7은 라인포밍 유닛에 의해 파우치 날개에 프리 폴딩 라인이 성형된 배터리 셀을 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 파우치 날개(w)에 파우치 날개(w) 하부로 만입된 형태의 프리 폴딩 라인(PFL)이 형성될 수 있다. 한편, 본 발명에서 파우치 날개(w)에는, 파우치 케이스(10)의 패키징 사이드 실링시 상부 파우치와 하부 파우치가 실링된 영역인 실링면(S)이 형성될 수 있다. 실링면(S)은 파우치 날개(w) 전체 영역에 형성될 수 있으나, 배터리 셀의 절연저항 등을 고려할 때 파우치 날개(w)의 외측부분에만 형성되는 것이 바람직하므로, 도시된 바와 같이 파우치 날개(w)의 외측 부분에만 실링 영역이 형성될 수 있고, 파우치 날개(w)의 내측 부분에는 실링되지 않은 영역이 형성될 수 있다.
제2 실시예에 따른 라인포밍 유닛(100B)은, 파우치 날개(w)에 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)을 성형하는 제1 히팅 프레스(110B-1)와, 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)이 성형된 파우치 날개에 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)을 성형하는 제2 히팅 프레스(110B-2)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, 파우치 날개(w)에는 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)과 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)이 형성될 수 있으며, 이때 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)은 파우치 날개의 실링면 상에 형성되고, 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)은 파우치 날개의 비실링면 상에 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 파우치 케이스(10)의 패키징 사이드 실링시 실링면(S)은 파우치 날개(w)의 외측에만 형성될 수 있으며, 이에 따라 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)은 파우치 날개(w)의 외측에 형성되고, 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)은 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)에 비해 파우치 날개(w)의 내측에 형성될 수 있다.
이때, 제2 히팅 프레스(110B-2)가 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)을 성형하기 위해 파우치 날개(w)에 가하는 열과 압력은, 제1 히팅 프레스(110B-1)가 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)을 성형하기 위해 파우치 날개(w)에 가하는 열과 압력에 비해 낮은 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)을 성형하는 조건으로는 제2 히팅 프레스(110B-2)의 온도가 90~120 ˚C이고 압력이 0.2~0.4 Mpa일 수 있으며, 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)을 성형하는 조건은 이보다 더 클 수 있다.
제1 프리 폴딩 라인(PFL1)은 파우치 내의 PP(Polypropylene)층이 녹아 형성된 실링면 상에 형성되기 때문에 파우치 날개(w)에 고온/고압을 가하여도 절연저항의 불량이 발생할 확률이 적은 반면, 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)은 비실링면 상에 형성되기 때문에 파우치 날개에 고온/고압을 가할 경우 파우치 내의 PP층이 녹아 절연저항의 불량이 발생할 확률이 크며, 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)에 비해 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)은 본방, 즉 전극 조립체가 수용된 파우치 본체(m)에 근접하여 위치하기 때문에 절연 영향성을 크게 받는다. 따라서, 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)을 성형하는 조건에 비해 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)을 성형하는 조건을 보다 완화하는 것이 바람직하다.
제1 프리 폴딩 라인(PFL1)과 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)을 형성하기 위해 외부에서 열과 압력을 인가해야 하고, 이로 인한 영향으로 해당 파우치 날개(w)의 화학적 및/또는 물리적 성질이 변하여, 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)과 이를 제외한 실링면은 서로 열화 특성이 달라질 수 있고, 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)과 이를 제외한 비실링면은 서로 열화 특성이 달라질 수 있다. 또한, 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)과 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)을 형성하기 위한 조건을 다르게 할 경우 각각, 즉 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)과 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)의 열화 특성이 달라질 수 있다.
여기서, 제2 실시예에 따른 라인포밍 유닛(110B) 뿐 아니라 제1 실시예에 따른 라인포밍 유닛(100A)의 프리히팅 프레스(110A)와 라인포밍 프레스(120A) 두 세트를 이용하여 제1, 제2 프리 폴딩 라인(PFL1, PFL2)을 형성하고 제1, 제2 프리 폴딩 라인(PFL1, PFL2) 형성 조건을 달리할 수 있음은 물론이며, 또한, 파우치 케이스(10)를 이동시키는 방식을 통해 하나의 히팅 프레스(110B), 또는 한 세트의 프리히팅 프레스(110A)와 라인포밍 프레스(120A)를 이용하여 제1, 제2 프리 폴딩 라인(PFL1, PFL2)을 형성할 수도 있다.
한편, 폴딩 유닛(200)은 파우치 케이스(10)가 이송되는 경로를 따라 배치되는 다수개의 단위롤러(210)로 이루어지고, 다수개의 단위롤러(210) 중 적어도 어느 하나는 상부롤러(211)와 하부롤러(212)로 이루어지되, 하부롤러(212)에는 프리 폴딩 라인(PFL)의 하부로 돌출된 부분이 수용되는 수용홈(213)이 형성되며, 하부롤러(212)는 수용홈(212c) 외측이 수평방향에 대해 일정 각도를 가지도록 형성되어, 프리 폴딩 라인(PFL)을 기준으로 파우치 날개(w)를 폴딩할 수 있다.
폴딩 유닛(200)은 보다 구체적으로 파우치 날개를 90도 폴딩하는 제1 폴딩 유닛(200A)과, 90도 폴딩된 파우치 날개를 180도 폴딩하는 제2 폴딩 유닛(200B)과, 180도 폴딩된 파우치 날개를 90도 추가폴딩하는 제3 폴딩 유닛(200C)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 파우치 날개(w)는 총 270도 폴딩이 이루어질 수 있다. 이때, 제1 폴딩 유닛(200A)은 파우치 케이스(10)가 이송되는 경로를 따라 배치되는 다수개의 제1 단위롤러(210A)로 이루어지고, 제1 단위롤러(210A)는 상부롤러(211A)와 하부롤러(212A)로 이루어지고, 제3 폴딩 유닛(200C)은 파우치 케이스(10)가 이송되는 경로를 따라 배치되는 다수개의 제3 단위롤러(210C)로 이루어지고, 제3 단위롤러(210C)는 상부롤러(211C)와 하부롤러(212C)로 이루어지며, 제1 단위롤러(210A)의 하부롤러(212A)에는 제1 프리 폴딩 라인(PFL)의 하부로 돌출된 부분이 수용되는 수용홈(213A)이 형성되고, 제3 단위롤러(210C)의 하부롤러(212C)에는 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)의 하부로 돌출된 부분이 수용되는 수용홈(213C)이 형성될 수 있다.
도 8은 제1 폴딩 유닛의 제1 단위롤러의 측면을 나타내고, 도 9는 도 8(a)의 제1 단위롤러(도면상 위)와 도 8(c)의 제1 단위롤러(도면상 아래)를 나타낸 것으로, 도 8,9을 참조하여 구체적으로 설명하면, 각각의 제1 단위롤러(210A)는 상부롤러(211A)와 하부롤러(212A)로 구성되고, 이때 하부롤러(212A)에는 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)의 하부로 돌출된 부분이 수용되는 수용홈(213A)이 형성되며, 하부롤러(212A)는 수용홈(213A) 외측이 수평방향에 대해 일정 각도를 가지도록 형성된다. 여기서, 수용홈(213A) 외측이란 도시된 바와 같이 본방, 즉 파우치 본체(m)를 향하는 방향의 반대측을 의미한다. 또한, 제1 단위롤러의 하부롤러(212A)가 수평방향에 대해 가지는 일정 각도는 0도 이상 90도 이하일 수 있으며, 파우치 케이스(10)가 이송되는 방향으로 갈수록 각 제1 단위롤러의 하부롤러(212A)의 기울어진 각도가 증가되도록 각 제1 단위롤러(210A)가 배치됨에 따라, 파우치 날개(10)가 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)을 기준으로 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)의 오목부를 내측으로 하여 폴딩될 수 있다.
도 10은 제3 폴딩 유닛의 제3 단위롤러의 측면을 나타내고, 도 11은 도 10(a)의 제3 단위롤러(도면상 위)와 도 10(c)의 제3 단위롤러(도면상 아래)를 나타낸 것으로, 제3 단위롤러(210C)는 제1 단위롤러(210A)와 기본적으로 동일한 구조를 가지되, 제3 단위롤러의 하부롤러(212C)에는 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)의 하부로 돌출된 부분이 수용되는 수용홈(213C)이 형성될 수 있으며, 제3 단위롤러의 하부롤러의 수용홈(213C)은 제1 단위롤러의 하부롤러의 수용홈(213A)보다 내측에 형성될 수 있다.
한편, 위에서 설명한 바와 달리, 파우치 날개(w)의 초기 90도 폴딩을 시작하기 이전에 파우치 날개(w)에 제1, 제2 프리 폴딩 라인(PFL1, PFL2)을 하나의 히팅 프레스(110B)로 동시에 성형하고, 제1 폴딩 유닛의 하부 롤러(212A)에 제1, 제2 프리 폴딩 라인(PFL1, PFL2)의 돌출된 부분을 수용하는 두 개의 수용홈을 형성하여 폴딩시 파우치 날개(w)를 보다 견고하게 가이딩하도록 할 수도 있다.
도 12는 제2 폴딩 유닛의 제2 단위롤러의 측면을 나타낸 것으로, 제2 폴딩 유닛(200B) 또한 파우치 케이스(10)가 이송되는 방향을 따라 다수개의 제2 단위롤러(210B)로 이루어지고, 제2 단위롤러는 상부롤러(211B)와 하부롤러(212B), 그리고 상부롤러(211B)의 일측에 구비되어 파우치 날개(w)의 폴딩 가이드 기능을 수행하는 스트리퍼(213B)로 이루어질 수 있다. 스트리퍼(213B)는 파우치 날개(w)의 폴딩되는 부분, 즉 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)의 오목부를 지지하여 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)을 기준으로 파우치 날개(w)가 폴딩되도록 할 수 있다.
도 13은 180도 폴딩된 파우치 날개에 제2 프리 폴딩 라인을 형성하는 것을 나타내는 것으로, 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)를 성형하는 제2 히팅 프레스(110B-2)가 도시되어 있다. 제1 히팅 프레스(110B-1)는 제1 폴딩 유닛(200A)이 파우치 날개(w)를 90도 폴딩하기 이전에 파우치 날개(w)에 제1 프리 폴딩 라인(PFL1)을 성형하고, 제2 히팅 프레스(110B-2)는 제2 폴딩 유닛(200B)이 파우치 날개(w)를 180도 폴딩한 이후 제3 폴딩 유닛(200C)이 파우치 날개(w)를 90도 추가폴딩하기 이전에 파우치 날개(w)에 제2 프리 폴딩(PFL2)을 성형할 수 있다. 이때, 제2 히팅 프레스(110B-2)는 파우치 날개(w)가 180도 폴딩되어 형성되는 파우치 날개의 180도 폴딩부(180f)를 압착하는 폴딩부 상부 가압면(115B)과 폴딩부 하부 가압면(117B)을 더 포함할 수 있으며, 폴딩부 상부 가압면(115B)은 180도 폴딩부(180f)가 아닌 파우치 날개(w)를 상부에서 가압하는 상부 가압면(111B)보다 높은 위치에 형성되고, 폴딩부 하부 가압면(117B)은 180도 폴딩부(180f)가 아닌 파우치 날개(w)를 하부에서 가압하는 하부 가압면(113B)과 동일선상에 형성될 수 있다. 이와 같이, 제2 히팅 프레스(110B-2)가 180도 폴딩부(180B)를 가압 가능하게 됨에 따라, 제2 히팅 프레스(110B-2)의 압착을 통해 제2 프리 폴딩 라인(PFL2)을 성형함과 동시에 파우치 날개의 180도 폴딩부(180f)를 압착할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 예에 따른 파우치 케이스 폴딩 장치를 나타낸 것으로, 크게 라인포밍 유닛(100)과 폴딩 유닛(200)을 포함하며, 180도 폴딩된 파우치 날개의 180도 폴딩부(180f)를 압착하는 제1 압착유닛(300A)과 90도 추가폴딩된 파우치 날개의 90도 폴딩부(90f) 압착하는 제2 압착유닛(300B)을 포함하는 압착유닛(300)을 더 포함할 수 있다. 압착유닛(300) 또한 파우치 케이스(10)의 이송 경로를 따라 배치되는 상부롤러(311)와 하부롤러(312)로 이루어진 단위롤러 다수개(310)로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 파우치 날개를 폴딩하기 이전에 제1 프리 폴딩 라인을 성형하여 제1 프리 폴딩 라인을 기준으로 180도 폴딩을 진행하게 되고, 180도 폴딩된 파우치 날개를 폴딩하기 이전에 제2 프리 폴딩 라인을 성형하여 제2 프리 폴딩 라인을 기준으로 90도 추가 폴딩을 진행하게 됨으로써, 폴딩시 파우치 날개의 위치별 연신량 차이를 극복하고 폴딩라인의 사행을 확실하게 방지할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 예에 따른 파우치 케이스 폴딩 방법에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 파우치 케이스 폴딩 방법은, 파우치 날개에 파우치 날개의 길이방향을 따라 소정 깊이로 만입된 형태의 프리 폴딩 라인을 성형하는 단계와, 프리 폴딩 라인이 형성된 파우치 날개를 프리 폴딩 라인을 기준으로 폴딩하는 단계를 포함할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 예에 따른 파우치 케이스 폴딩 방법의 흐름도를 나타낸 것으로, 배터리 셀(즉, 전극 조립체가 수용되어 패키징 사이드 실링이 이루어진 파우치 케이스)를 정렬하고, 파우치 날개의 측면 단부를 최종 커팅하고, 제1 라인포밍 유닛을 통해 파우치 날개에 제1 프리 폴딩 라인을 성형하고, 제1, 제2 폴딩 유닛을 통해 파우치 날개의 90도 폴딩과 90도 폴딩된 파우치 날개의 90도 폴딩을 통해 제1 프리 폴딩 라인이 형성된 파우치 날개를 180도 폴딩하고, 제1 압착유닛을 통해 파우치 날개가 180도 폴딩되어 형성되는 파우치 날개의 180도 폴딩부를 압착하고, 제2 라인포밍 유닛을 통해 180도 폴딩부가 압착된 파우치 날개에 제2 프리 폴딩 라인을 성형하고, 제3 폴딩 유닛을 통해 제2 프리 폴딩 라인이 형성된 파우치 날개를 90도 추가폴딩하고, 제2 압착 유닛을 통해 파우치 날개가 90도 추가폴딩되어 형성되는 파우치 날개의 90도 폴딩부를 압착하고, 사이징 롤러를 통과시킬 수 있다.
즉, 본 발명은 크게 파우치 날개를 폴딩하기 이전에 파우치 날개에 프리 폴딩 라인을 성형하는 단계와, 프리 폴딩 라인을 기준으로 파우치 날개를 폴딩하는 단계를 포함할 수 있고, 파우치 날개에 프리 폴딩 라인을 성형하는 단계는 파우치 날개에 제1 프리 폴딩 라인을 성형하는 단계와 제2 프리 폴딩 라인을 성형하는 단계를 포함할 수 있으며, 폴딩하는 단계는 제1 프리 폴딩 라인이 형성된 파우치 날개를 90도 폴딩하는 단계와 90도 폴딩된 파우치 날개를 180도 폴딩하는 단계와 180도 폴딩된 파우치 날개를 90도 추가폴딩하는 단계를 포함할 수 있다.
여기에서, 제1 프리 폴딩 라인은 파우치 날개의 실링면 상에 형성되고, 제2 프리 폴딩 라인은 파우치 날개의 비실링면 상에 형성될 수 있으며, 제2 프리 폴딩 라인을 성형하기 위해 파우치 날개에 가하는 열과 압력은 제1 프리 폴딩 라인을 성형하기 위해 파우치 날개에 가하는 열과 압력에 비해 낮을 수 있다.
나아가, 180도 폴딩된 파우치 날개에 제2 프리 폴딩 라인을 성형하는 단계에서는, 파우치 날개가 180도 폴딩되어 형성되는 파우치 날개의 180도 폴딩부를 압착하는 것이 동시에 이루어질 수 있다.
본 발명은 상기 파우치 날개에 제1 프리 폴딩 라인을 성형하는 단계 이전에, 상기 파우치 케이스를 정렬하고 상기 파우치 날개의 측면 단부를 최종 커팅하는 단계와, 상기 파우치 날개를 180도 폴딩하는 단계 이후, 상기 파우치 날개가 180도 폴딩되어 형성되는 파우치 날개 폴딩부를 압착하는 단계와, 상기 파우치 날개를 90도 추가폴딩하는 단계 이후, 상기 파우치 날개가 90도 추가폴딩되어 형성되는 파우치 날개 폴딩부를 압착하는 단계와, 상기 90도 추가폴딩되어 형성되는 파우치 날개 폴딩부를 압착하는 단계 이후, 상기 파우치 케이스의 크기를 균일하게 하기 위해 상기 파우치 케이스를 사이징 롤러에 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 파우치 날개를 폴딩하여 최종적으로 배터리 셀을 제작할 수 있다.
한편, 본 발명에서 파우치 케이스 폴딩시, 파우치 본체의 양측으로 형성된 파우치 날개에 있어서, 일측의 파우치 날개를 먼저 폴딩하고, 파우치 케이스의 이송 방향을 달리하여 타측의 파우치 날개를 폴딩할 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명에서 파우치 날개가 파우치 본체로부터 양측으로 연장된 경우에 대해 설명하였으나, 파우치 케이스가 전극조립체의 일측의 장축을 감싸도록 벤딩되어 파우치 날개가 파우치 본체로부터 한쪽에만 형성되는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
10: 배터리 셀
m: 파우치 본체
w: 파우치 날개
PFL: 프리 폴딩 라인
PFL1, PFL2: 제1, 제2 프리 폴딩 라인
100: 라인포밍 유닛
100A, 100B: 제1, 제2 실시예의 라인포밍 유닛,
200: 폴딩 유닛
200A, 200B, 200C: 제1, 제2, 제3 폴딩 유닛
300: 압착 유닛
300A, 300B: 제1, 제2 압착 유닛

Claims (10)

  1. 전극 조립체가 수용되는 파우치 본체로부터 연장되는 파우치 날개를 양측에서 압착하는 제1, 제2 가압면;
    상기 제1 가압면에 형성되며, 상기 제1 가압면으로부터 상기 제2 가압면을 향해 돌출되어 상기 파우치 날개의 길이방향으로 길게 연장되는 돌출부; 및
    상기 제2 가압면에 형성되며, 상기 제1 가압면의 돌출부에 대응되도록 내측으로 함몰된 회피부;를 포함하며,
    상기 파우치 날개에 상기 파우치 날개의 길이방향을 따라 소정 깊이로 만입된 형태의 프리 폴딩 라인을 성형하는, 라인포밍 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 날개를 열 가압하여 상기 파우치 날개를 연화시키는 프리히팅 프레스와,
    상기 제1, 제2 가압면을 포함하며, 상기 프리히팅 프레스에 의해 연화된 파우치 날개를 가압하여 상기 프리 폴딩 라인을 성형하는 라인포밍 프레스를 포함하는, 라인포밍 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 라인포밍 프레스는, 상부 나이프, 하부 나이프, 스트리퍼 및 탄성부를 포함하며, 상기 파우치 날개의 최종 커팅시 상기 스트리퍼 하강과 동시에 상기 연화된 파우치 날개에 상기 프리 폴딩 라인을 성형하는, 라인포밍 유닛
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 가압면을 포함하며, 상기 파우치 날개를 열 가압하여 상기 파우치 날개를 연화시킴과 동시에 상기 프리 폴딩 라인을 성형하는 히팅 프레스를 포함하는, 라인포밍 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 파우치 날개에 제1 프리 폴딩 라인을 성형하는 제1 히팅 프레스와,
    상기 파우치 날개에 제2 프리 폴딩 라인을 성형하는 제2 히팅 프레스를 포함하는, 라인포밍 유닛.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 히팅 프레스는 상기 파우치 날개의 실링면 상에 상기 제1 프리 폴딩 라인을 성형하고,
    상기 제2 히팅 프레스는 상기 파우치 날개의 비실링면 상에 상기 제2 프리 폴딩 라인을 성형하는, 라인포밍 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 히팅 프레스가 상기 제2 프리 폴딩 라인을 성형하기 위해 상기 파우치 날개에 가하는 열과 압력은,
    상기 제1 히팅 프레스가 상기 제1 프리 폴딩 라인을 성형하기 위해 상기 파우치 날개에 가하는 열과 압력에 비해 낮은, 라인포밍 유닛.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 히팅 프레스는 상기 파우치 날개를 90도 폴딩하기 이전에 상기 파우치 날개에 상기 제1 프리 폴딩 라인을 성형하고,
    상기 제2 히팅 프레스는 상기 파우치 날개를 180도 폴딩한 이후 상기 180도 폴딩된 파우치 날개를 90도 추가폴딩 하기 이전에, 상기 180도 폴딩된 파우치 날개에 상기 제2 프리 폴딩 라인을 성형하는, 라인포밍 유닛.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2 히팅 프레스는,
    상기 파우치 날개가 180도 폴딩되어 형성되는 파우치 날개의 180도 폴딩부를 압착하는 제1 폴딩부 가압면과 제2 폴딩부 가압면을 더 포함하고,
    상기 제1 폴딩부 가압면은 상기 제1 가압면보다 높은 위치에 형성되고,
    상기 제2 폴딩부 가압면은 상기 제2 가압면과 동일선상에 형성되는, 라인포밍 유닛.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 히팅 프레스는 상기 파우치 날개에 제1 프리 폴딩 라인과 제2 프리 폴딩 라인을 동시에 성형하는, 라인포밍 유닛.
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