KR20220126142A - 이차전지의 전극체 제조 장치 - Google Patents

이차전지의 전극체 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2장의 분리막 사이에 복수의 전극판이 일정 간격으로 배열된 상태로 연속적으로 이송되면서 분리막의 커팅과 융착이 동시에 진행될 수 있도록 함으로써 제조 시간과 비용을 줄일 수 있는 이차전지의 전극체 제조 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지의 전극체 제조 장치는, 상하로 나란하게 배치된 2장의 분리막 사이에 복수의 전극판이 일정 간격으로 배열된 전극체 자재를 일방향으로 이송하는 이송부; 상기 전극체 자재의 이송 경로 상측에 설치되며, 히터가 내장된 상부롤; 상기 상부롤의 하측에 소정의 간격을 두고 배치된 하부롤; 상기 상부롤의 외면에 길이방향을 따라 설치되며, 상기 히터에 의해 가열되는 커터; 및, 상기 상부롤과 하부롤을 서로 반대방향으로 일정한 속도로 회전시키는 롤 구동부를 포함하여, 상기 전극체 자재가 상기 상부롤과 하부롤 사이를 통과하면서 상기 2장의 분리막이 상기 커터에 의해 절단됨과 동시에 융착되어 실링된다.

Description

이차전지의 전극체 제조 장치{Apparatus for Manufacturing Electrode Unit of Secondary Battery}
본 발명은 이차전지 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2장의 세퍼레이터 사이에 복수의 전극판을 배열한 상태로 연속적으로 이송하면서 세퍼레이터를 절단하고, 절단된 부위를 열융착시켜 실링함으로써 2장의 분리막(separator) 내에 전극판이 수용된 전극체를 연속 반복적으로 제조할 수 있는 이차전지의 전극체 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학전지는 양극판과 음극판의 전극 한쌍과 전해질로 구성되어 있는 전지로서 상기 전극과 전해질을 구성하는 물질에 따라 저장할 수 있는 에너지의 양이 달라진다. 이러한 화학전지는 충전반응이 매우 느려서 1회 방전 용도로만 쓰이는 1차전지와, 반복적인 충방전을 통해 재사용이 가능한 2차전지로 구분되며, 최근 들어서는 충방전이 가능한 장점으로 인해 2차전지의 사용이 늘고 있는 추세에 있다.
즉, 상기 2차전지는 그 장점으로 인해 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있으며, 일예로 와이어리스 모바일 기기와 같은 첨단전자기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린 및 디젤 내연기관의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로도 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데 대표적인 형상으로는, 복수의 전극판(양극판, 음극판) 사이에 절연체인 분리막(separator)을 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극군(또는, 젤리롤)을 형성한 원통형과, 양극판과 음극판이 교번으로 적층되되 양극판과 음극판 사이마다 분리막이 삽입되도록 구성되는 전극판적층체를 케이스에 내장 설치한 스택형이 있다.
한편, 상기 분리막은 통상적으로 한 겹의 필름 형태로 제작되어 양극판과 음극판 사이에 삽입되는데, 양극판과 음극판과 분리막을 수직방향으로 일정하게 정렬해 가면서 적층시키는 작업이 매우 난해하며, 분리막의 안착위치가 약간이라도 어긋나게 되면 양극판과 음극판이 서로 접촉됨으로써 불량이 발생될 수 있다는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 해결하기 위하여 포켓 구조의 분리막 내부에 전극판이 구비되도록 구성되는 포켓팅 전극체를 다수 개 제작하고, 다수 개의 포켓팅 전극체 사이마다 양극판과 음극판 중 다른 한 종류의 전극판을 삽입시키는 방법이 제안된 바 있다.
국내 등록특허 제10-1241928호에는 얇은 띠 형상의 융착필름을 제작하는 공정과, 포켓형 분리막을 제작하는 공정과, 포켓형 분리막 내부에 전극판을 위치시키는 공정을 한 번에 수행할 수 있도록 함으로써 생산성과 불량률을 감소시킬 수 있는 포켓팅 전극체 제조장치가 개시되어 있다.
그러나 상기한 등록특허의 포켓팅 전극체 제조장치를 비롯한 종래의 이차전지 셀 제조장치는 2장의 분리막 사이에 전극판(양극판 또는 음극판)을 배열한 상태에서 커터로 전극판 사이의 분리막을 절단한 다음, 융착수단으로 절단된 분리막의 가장자리를 프레스하여 이차전지 셀을 제조하고 있으므로 생산성 향상에 한계가 있으며, 제조장치의 제작 비용도 증가하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1241928호
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 2장의 분리막 사이에 복수의 전극판이 일정 간격으로 배열된 상태로 연속적으로 이송되면서 분리막의 커팅과 융착이 동시에 진행될 수 있도록 함으로써 제조 시간과 비용을 줄일 수 있는 이차전지의 전극체 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지의 전극체 제조 장치는, 상하로 나란하게 배치된 2장의 분리막 사이에 복수의 전극판이 일정 간격으로 배열된 전극체 자재를 일방향으로 이송하는 이송부; 상기 전극체 자재의 이송 경로 상측에 설치되며, 히터가 내장된 상부롤; 상기 상부롤의 하측에 소정의 간격을 두고 배치된 하부롤; 상기 상부롤의 외면에 길이방향을 따라 설치되며, 상기 히터에 의해 가열되는 커터; 및, 상기 상부롤과 하부롤을 서로 반대방향으로 일정한 속도로 회전시키는 롤 구동부를 포함하여, 상기 전극체 자재가 상기 상부롤과 하부롤 사이를 통과하면서 상기 2장의 분리막이 상기 커터에 의해 절단됨과 동시에 융착되어 실링된다.
상기 하부롤에 히터가 내장되어 하부롤이 히터에 의해 가열될 수 있다.
상기 상부롤과 하부롤에 히터의 작동을 제어하기 위한 온도센서가 내장될 수 있다.
본 발명의 이차전지의 전극체 제조 장치는, 상기 상부롤의 상측에 상부롤과 나란하게 설치되어 회전하며, 양측 단부가 상부롤의 상단에 연접하게 설치되어 상부롤에 하측으로 소정의 압력을 가하는 프레스롤을 더 포함할 수 있다.
또한 이차전지의 전극체 제조 장치는, 상기 프레스롤의 가압력을 조정하는 압력조정유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 2장의 분리막 사이에 복수의 전극판이 일정 간격으로 배열된 전극체 자재를 상부롤과 하부롤 사이로 통과시킬 때 전극체 자재의 상부롤에 구성된 커터에 의해 분리막의 절단 및 융착(실링)이 동시에 진행되므로 공정 속도가 매우 빨라지고, 절단과 융착이 하나의 구성부에서 이루어지므로 구성을 단순화시킬 수 있어 제조 비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전극체 제조 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 이차전지의 전극체 제조 장치의 정면에서 본 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 이차전지의 전극체 제조 장치의 측면에서 본 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 이차전지의 전극체 제조 장치의 요부 단면도이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차전지의 전극체 제조 장치를 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전극체 제조 장치를 나타낸 것으로, 서포트프레임(10), 이송부(20)와, 상부롤(30) 및 하부롤(40), 프레스롤(50), 롤 구동부를 포함한다.
이송부(20)는 상하로 나란하게 배치된 2장의 분리막(S) 사이에 복수의 전극판(E)이 일정 간격으로 배열된 전극체 자재(E1)를 일방향으로 연속적으로 이송하도록 된 것으로, 컨베이어 구조를 가질 수 있다.
상부롤(30)과 하부롤(40)은 서포트프레임(10)에 서로 반대 방향으로 회전하도록 설치된다. 상부롤(30)과 하부롤(40)은 상기 전극체 자재(E1)의 이송 경로 상측 및 하측에 서로 소정의 간격을 두고 설치되어, 전극체 자재(E1)가 상부롤(30)과 하부롤(40) 사이의 공극을 통해 수평하게 이송된다.
상기 상부롤(30)과 하부롤(40)은 롤 구동부에 의해 서로 반대방향으로 일정한 속도로 회전하면서 전극체 자재(E1)의 절단 및 융착 공정을 수행하는데, 롤 구동부는 공지의 회전구동장치를 적용하여 구성할 수 있다. 예를 들어 롤 구동부는 상기 서포트프레임(10)의 일측에서 상기 상부롤(30)의 중심축에 연결되어 상부롤(30)을 회전시키는 구동모터(61)와, 상기 구동모터(61)의 동력을 하부롤(40)에 전달하는 기어유닛(62)을 포함할 수 있다.
상기 전극체 자재(E1)가 상부롤(30)과 하부롤(40) 사이를 통과하면서 절단 및 융착될 수 있도록 하기 위하여, 상부롤(30) 및 하부롤(40)은 열전도성 금속 재질로 이루어지고, 상부롤(30) 및 하부롤(40) 각각에 복수의 히터(32, 42)가 내장된다. 또한 상부롤(30)에 전극체 자재(E1)의 분리막(S)을 절단하기 위한 커터(31)가 설치된다.
커터(31)는 상부롤(30)에 길이방향을 따라 연장되게 설치되어 상부롤(30)과 하부롤(40)이 회전함에 따라 회전 운동하면서 전극체 자재(E1)의 분리막(S)을 원활하게 절단할 수 있도록 구성된다. 이 실시예에서 커터(31)는 칼날이 상부롤(30)의 외면에 반경방향으로 미세하게 돌출되게 형성되어, 하부롤(40)과 협응하면서 분리막(S)을 절단한다.
이 실시예에서는 상부롤(30)에만 커터(31)가 구성되었지만, 이와 다르게 하부롤(40)에도 상기 커터(31)와 동일 또는 유사한 형태의 커터를 설치하여 2개의 커터(31)가 상측 및 하측에서 서로 협응하여 분리막(S)을 절단하게 할 수도 있을 것이다.
또한 커터(31)는 피나클 타입 커터 또는 커터날을 심는 타입을 적용할 수 있다. 커터(31)는 상부롤(30)과 하부롤(40)에 단일하게 설치될 수 있지만, 이와 다르게 복수개가 상부롤(30)의 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열될 수도 있을 것이다.
또한 상기 상부롤(30)과 하부롤(40)에는 복수의 히터(32, 42)가 설치되어 상부롤(30)과 하부롤(40) 및, 상기 커터(31)를 소정의 온도로 가열하는데, 이러한 히터(32, 42)에 의한 발열 온도를 제어하기 위하여 상부롤(30)과 하부롤(40) 각각에 온도센서(33, 43)가 내장될 수 있다. 상기 온도센서(33, 43)는 상부롤(30)과 하부롤(40)의 온도를 감지하여 감지신호를 상기 히터(32, 42)의 작동을 제어하는 컨트롤러(미도시)로 전송한다.
상기 프레스롤(50)은 상기 서포트프레임(10)의 상측에 상부롤(30)과 나란하게 설치되어 회전하며, 양측 단부가 상부롤(30)의 상단에 연접하게 설치되어 상부롤(30)에 하측으로 소정의 압력을 가함으로써 분리막(S)의 절단 및 융착이 더욱 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 작용을 한다. 상기 프레스롤(50)은 압력조정유닛에 의해 하측으로 소정의 압력을 받으면서 회전하도록 되어 상부롤(30)을 하측으로 가압한다.
상기 프레스롤(50)에 의해 상부롤(30)에 가해지는 압력은 압력조정유닛에 의해 조정이 가능한데, 여기서 상기 압력조정유닛은 서포트프레임(10)의 양측부에 상하로 연장되게 설치되며 외면에 나사산이 형성되어 서포트프레임(10)의 양측에 형성된 탭홀(12)에 나선결합되는 복수의 스크류축(71)과, 각각의 스크류축(71)의 상단에 사용자가 손으로 잡고 돌리기 용이하도록 설치된 핸들(72)을 포함하며, 각각의 스크류축(71)의 하단부는 상기 프레스롤(50)의 양측부를 회전 가능하게 지지하는 베어링블록(73)의 상단부에 상대 회전 가능하게 연결된다. 따라서 작업작 핸들(72)을 돌려서 스크류축(71)을 회전시키면 스크류축(71)이 서포트프레임(10)의 탭홀(12)에 대해 나선 회전하여 상하로 이동하게 되고, 스크류축(71) 하단에 연결된 베어링블록(73)이 상하로 이동하면서 프레스롤(50)의 위치를 조정하여 압력을 조정할 수 있다.
상술한 것과 같은 구성으로 이루어진 이차전지 셀 제조장치는 다음과 같이 작동한다.
이송부(20)에 의해 전극체 자재(E1)가 상부롤(30)과 하부롤(40) 사이를 수평하게 통과하게 되는데, 상부롤(30)과 하부롤(40)은 서로 반대방향으로 회전하다가 상부롤(30)의 커터(31)가 상부롤(30)의 하사점에 도달하게 되면, 전극체 자재(E1)의 상측 분리막(S)과 하측 분리막(S)을 동시에 절단하게 된다.
이 때 커터(31)는 상부롤(30)에 내장된 히터(32)에 의해 소정의 온도 범위로 가열된 상태로 되어 있기 때문에 분리막(S)을 절단함과 동시에 분리막(S)의 절단된 부위가 용융되어 상측의 분리막(S)과 하측의 분리막(S)의 절단 부위가 서로 융착되어 실링된다.
이와 같이 상부롤(30)과 하부롤(40)이 1회전함에 따라 커터(31)에 의한 분리막(S)의 절단 및 융착이 동시에 진행된다. 물론 상부롤(30)에 커터(31)가 복수로 구성되면, 상부롤(30)의 1회전시 커터(31)의 갯수만큼 분리막(S)의 절단 및 용융이 실행될 것이다.
상부롤(30)과 하부롤(40) 사이를 통과하는 전극체 자재(E1)는 일정 길이로 절단 및 실링되면서 2장의 분리막(S) 사이에 전극판(E)이 밀봉된 일정 크기의 전극체(E2)로 제작된 후 다음 공정 위치로 이송된다.
전술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 전극체 자재(E1)의 분리막(S)의 절단 및 융착(실링)이 상부롤(30)과 하부롤(40) 사이에서 동시에 진행되므로 공정 속도가 매우 빨라지고, 절단과 융착이 하나의 구성부에서 이루어지므로 제조 비용도 절감할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 서포트프레임 12 : 탭홀
20 : 이송부 30 : 상부롤
31 : 커터 32 : 히터
33 : 온도센서 40 : 하부롤
42 : 히터 43 : 온도센서
50 : 프레스롤 61 : 구동모터
62 : 기어유닛 71 : 스크류축
72 : 핸들 73 : 베어링블록
E : 전극판 E1 : 전극체 자재
E2 : 전극체 S : 분리막

Claims (5)

  1. 상하로 나란하게 배치된 2장의 분리막 사이에 복수의 전극판이 일정 간격으로 배열된 전극체 자재를 일방향으로 이송하는 이송부;
    상기 전극체 자재의 이송 경로 상측에 설치되며, 히터가 내장된 상부롤;
    상기 상부롤의 하측에 소정의 간격을 두고 배치된 하부롤;
    상기 상부롤의 외면에 길이방향을 따라 설치되며, 상기 히터에 의해 가열되는 커터; 및,
    상기 상부롤과 하부롤을 서로 반대방향으로 일정한 속도로 회전시키는 롤 구동부를 포함하여,
    상기 전극체 자재가 상기 상부롤과 하부롤 사이를 통과하면서 상기 2장의 분리막이 상기 커터에 의해 절단됨과 동시에 융착되어 실링되는 이차전지의 전극체 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부롤에 히터가 내장되어 하부롤이 히터에 의해 가열되는 이차전지의 전극체 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상부롤과 하부롤에 히터의 작동을 제어하기 위한 온도센서가 내장된 이차전지의 전극체 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상부롤의 상측에 상부롤과 나란하게 설치되어 회전하며, 양측 단부가 상부롤의 상단에 연접하게 설치되어 상부롤에 하측으로 소정의 압력을 가하는 프레스롤을 더 포함하는 이차전지의 전극체 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 프레스롤의 가압력을 조정하는 압력조정유닛을 더 포함하는 이차전지의 전극체 제조 장치.
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