KR20220168905A

KR20220168905A - 전지 포밍 지그

Info

Publication number: KR20220168905A
Application number: KR1020210078973A
Authority: KR
Inventors: 전태준; 조현배; 백창환; 임창섭; 손원각
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2022-12-26

Abstract

본 발명은 전지 포밍 지그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무지부의 전극판 결합부 작업 공정을 단순화하고 완성도를 높인 전지 포밍 지그에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 포밍 지그에 의하면 다수의 직선 이동 가이드부가 고정축을 방사상으로 배치된 전지 포밍 지그가 전극체의 원주면에 균등하게 압력을 가하므로 여러번으로 나누어져 포밍 작업을 수행할 필요가 없이 일회적으로 작업 수행이 가능하다.

Description

전지 포밍 지그{Battery Forming Jig}

본 발명은 전지 포밍 지그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지의 무지부의 전극판 결합부 작업 공정을 단순화하고 완성도를 높인 전지 포밍 지그에 관한 것이다.

일반적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말한다. 이차 전지 중에서 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰이나 카메라와 같은 휴대 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 팩이 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차나 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 및 파우치형을 들 수 있으며, 양, 음극판 사이에 절연체인 분리막(separator)을 개재하여 형성된 전극 조립체와 전해액을 케이스에 내장 설치하고, 케이스에 캡 플레이트를 설치하여 구성된다.

이차 전지는 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩 단위로 제조된다.

배터리 셀(Battery Cell)은 전기에너지를 충전(charging)，방전(discharging)해 사용할 수 있는 배터리의 기본 단위로서, 양극판，음극판，분리막 및 전해액을 사각형의 알루 미늄 케이스에 넣어 만든다.

배터리 모듈(Battery Module)은 배터리 셀을 외부충격과 열，진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣어서 만든 배터리 조립체(Assembly)이다.

배터리 팩(Battery Pack)은 배터리 시스템의 최종 형태이다. 배터리 모듈에 BMS(Battery Management System), 냉각시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착하여 완성된다. 예를 들어, 전기차에 들어가는 형태이다.

배터리(Battery)의 제조 공정은 다음과 같다.

배터리 제조 공정은 전극 공정，조립 공정，화성 공정，기타 공정 등으로 이루어진다.

전극 공정은 원재료 투입후 전극을 구성하는 활물질(active material)과 도전재(conductive material)，바인더(vinder)를 섞어서 양극(positive electrode)과 음극(negative electrode)을 만드는 공정이다.

조립 공정은 전극 공정에서 제조된 극판들을 쌓고 캡을 씌우거나 원형으로 말아 케이스에 넣거나 파우치 밀봉 후 전해액을 주입하는 공정이다.

화성 공정은 조립 공정을 통해 만들어진 셀에 전지의 특성을 띠도록 하는 공정이다.

기타 공정은 검사장비를 통해 셀의 불량을 점검하고 포장 및 출하의 과정을 거치는 공정이다.

각 공정을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 전극(극판) 공정(Electrode Process)은 양극재와 음극재를 각각 알루미늄 극판，동박 극판에 붙이는 공정이다. 이 공정은 믹싱，코팅 및 건조，압연，슬리팅，진공 건조 공정으로 세분화 된다. 코팅 및 건조，압연 공정은 롤투롤(roll-to-roll) 장비를 기반으로 구성되어 있다. 양극과 음극의 섞임을 방지하기 위해 제조설비가 분리된다.

믹싱(Mixing)은 전극 공정의 첫단계로 활물질에 도전재，바인더，용매를 넣고 섞어 슬러리(Slurry)를 만든다. 분말 형태의 활물질과 도전재를 건식 믹싱하고, 바인더를 녹인 용매와 함께 습식 믹싱한 후 슬러리(Slurry)를 만든다. 정량의 다양한 혼합물 재료 배합과 균일한 슬러리 조성 및 이물 관리 능력이 필요하다. 여기서, 슬러리(Slurry)는 고체와 액체의 혼합물 또는 미세한 고체입자가 물속에 현탁(懸獨)된 현탁액을 말한다.

코팅(Coating) 및 건조에서 양극판은 알루미늄 기재，음극판은 구리 기재를 사용하는 데，활물질，도전재，바인더가 고루 섞인 슬러리를 기재 위에 정해진 패턴 및 일정한 두께로 코팅한 후，건조공기(Dry Air)로 용매를 증발시킨다.

압연(Press)은 롤투롤(Roll-to-Roll) 장비를 이용하여 기재(Al，Cu)와 활물질이 잘 붙도록 압력을 가하여 전극 두께를 줄이고，에너지 밀도를 높이는 공정으로 두께만 줄이고 길이는 일정하게 하고，이온의 원활한 이동성을 부여한다. 전극 공정 중 가장 높은 기술력이 필요한 공정으로 적절하고 균일한 압력 유지가 기술력이다. 과도한 압력시 불량 발생，배터리 수명 저하，흑연의 통로 유지가 어렵고，전극에 전해액 침투가 어려워 수명이 저하된다.

슬리팅(Slitting)은 슬리터(Slitter)를 이용해 설계된 전지 규격에 맞춰 전극 폭을 자르는 공정이다.

진공 건조(Vacuum Drying)는 절단 공정을 마친 롤 형태의 전극판을 진공 건조기를 이용해 장시간 건조하여 수분을 제거하는 공정이다.

다음으로, 조립 공정 (Assembly Process)은 전극 공정을 통해 제조된 양극판(positive electrode plate)과 음극판(negative electrode plate)을 분리막과 같이 조립하여 전지 셀의 완성품을 만드는 공정이다. 노칭(Notching), 와인딩(또는 스태킹)，탭 웰딩(Tab Welding), 패키징(Packiging)으로 이루어져 있다. 조립공정은 수분과의 접촉을 막기 위해 드라이룸(Dry Room)에서 공정을 진행한다.

노칭(Notching)은 양극과 음극 탭을 제조하기 위해 배터리 모양에 맞추어 극판을 알맞은 크기로 자르는 공정이다. 전극 공정을 모두 마친 롤 형태로 길게 이어진 양극판，음극판들은 노칭 공정으로 들어가게 된다. 무지부(Non-Coating: 양/음극 활물질이 도포되지 않은 빈 공간)를 자르는 노칭 공정을 통하여，롤 형태의 양극판，음극판들을 다양한 배터리 모양에 맞춘 단일 극판 형태로 자른다. 여기서 약간의 무지부를 남겨서 탭 웰딩으로 탭들을 접착한다.

와인딩(Winding)은 양극판과 음극판 사이에 분리막을 넣고 원형으로 말아서 속칭 '젤리롤(Jelly-Roll)'을 만들어주는 공정이다. 과거 모든 형태의 셀에 적용되던 가장 보편적인 방식으로，원형으로 말아진 젤리롤을 원통에 넣으면 원통형 전지가 되고，각진통에 넣으면 각형 전지가 된다. 제조원가가 싸고，공정 속도가 빨라 생산성이 높아지는 장점이 있으나, 낭비되는 공간이 발생해 에너지 밀도가 낮고，장시간 충방전을 거듭하는 경우 젤리롤의 뒤틀림 현상이 발생하면서 배터리가 부풀어 오를 수 있다.

스태킹(Stacking)은 코팅이 끝난 여러개의 단일 극판을 분리막을 사이에 두고 층층이 번갈아가면서 쌓아 올리는 공정이다.

탭 웰딩(Tab Welding)은 단일 극판으로부터 흘러나오는 전류를 한 곳으로 모으는 공정으로，스태킹된 배터리 양극과 음극에 알루미늄과 구리 탭(Tab)을 무지부에 접착시키는 공정이다. 초음파를 통해 접합부에 진동을 일으켜 열을 발생시켜 탭을 접착하거나 용접을 한다.

패키징(Packiging)은 전해액을 주입한 후 최종 전지 형태로 모형을 형성하고 밀봉하는 공정이다. 각형과 원통 배터리는 알루미늄 메탈 케이스와 캔(CAN)이 봉 지 역할을 하며，캡(Cap)을 닫고 레이저로 용접한 후 전해액을 주입한다. 파우치형은 알루미늄 필름 파우치가 봉지 역할을 하며，열을 가해 패킹한 후 전해액 주입하고 밀봉하고 셀 형태로 절단한다.

다음으로, 화성 공정 (Formation Process)은 조립된 배터리 셀에 전기적 특성을 가지도록 배터리를 활성화시키고，결함 여부를 파악하는 마무리 공정이다. 크게 활성화(Formation), 안정화(Aging), 등급화(Grading), 분류(Selecting)의 네 가지 공정으로 나뉜다.

활성화(충방전)(Formation)는 최초 충전 공정으로 방전 상태의 셀을 활성화시키는 공정이다. 이때 음극 표면에 이온 전도성 얇은 고체막，즉 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층(Layer)이 형성된다.

안정화(Aging)는 활성화 공정 이후 안정화를 거치는 공정으로 전해액의 안정화를 위해 정해진 온도와 습도에서 일정 시간 동안 보관，이 과정을 통해 배터리 내부에 전해액이 고르게 분산 돼 이온의 이동이 최적화될 수 있도록 한다.

등급화(등급분류)(Grading)에서 등급분류기는 화성공정 중 마지막 단계에서 각 설비로부터 얻는 Data를 기반으로 전지의 등급을 분류한다.

분류(불량 선별)(Selecting)에서, 선별기는 충방전기 및 IR/OCV로부터 측정된 데이터를 바탕으로 배터리 셀의 불량을 판정한다.

도 1에 종래기술에 따른 무지부의 전극판 결합부 제조 공정이 나타나 있다.종래 기술에 따른 제조 공정 중에서 무지부의 전극판 결합부 제조 공정이다. 대한민국 등록특허 제10-0599710호 "이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 이차 전지 제조 방법"을 참조한다.

도 1에는 무지부(11a)의 용접부위를 일방향으로 절곡시키는 상태를 잘 예시하고 있는데, 양극 집전판(40)에는 무지부(11a)와 용접되는 접촉부(42)가 십자 형태로 형성되어 있으므로 먼저 전극군(10)에서 상기 접촉부(42)와 대응되는 위치에 사각 막대 형태의 금형(60)을 위치시킨다.

그리고 원형으로 감겨져 있는 무지부(11a)의 외측에서 중심을 향하여 상기 금형(60)을 이동시키게 되면 금형(60)에 의해 무지부(11a)가 차례로 한방향(전극군의 중심 방향)으로 절곡되어 눕혀지게 된다.

여기서 바람직하게는 상기 금형(60)의 폭은 양극 집전판(40)의 접촉부(42)의 외부 폭과 대응되도록 하여 슬롯(42)이 상기 무지부(11a)의 절곡 부위에 안착될 수 있도록 한다.

상기 과정은 양극 집전판(40)의 접촉부(42)와 대응되는 영역에서 금형(60)이 여러 방향에서 작업하도록 되어 있다.

그런데, 이러한 작업은 금형을 여러번 돌려서 작업하여야 하므로 작업 공정이 늘어지고 품질의 일관성이 이루어지기 어려운 점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 전지 셀의 무지부의 포밍 작업을 용이하게 하고 전지의 원형도를 향상시키는 전지 포밍 지그를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 포밍 지그는, 전지의 전극체가 삽입되는 고정축이 관통 설치되는 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임에 설치되고, 상기 고정축을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 직선 이동 가이드부; 및 상기 복수의 직선 이동 가이드부에 각각 구비되는 압착판을 포함한다.

여기서, 상기 베이스 프레임은, 지면에 배치되는 가로판; 상기 지면에 직교하는 세로판; 및 상기 가로판에 설치되고 상기 세로판에 평행한 지지판을 포함한다.

또한, 상기 세로판에는 상기 직선 이동 가이드부가 이동할 수 있는 일자형의 가동홀이 형성된다.

또한, 상기 세로판과 지지판 사이에는 상기 직선 이동 가이드부가 이동하는 동력을 제공하는 회전구동판이 구비된다.

또한, 상기 회전구동판에는 상기 고정축이 관통 삽입되는 축홀이 형성된다.

또한, 상기 회전구동판에는 일자형의 작동홈이 형성되고, 상기 작동홈은 상기 가동홀에 소정 각도 경사 형성되어 서로 교차한다.

또한, 상기 베이스 프레임에는 상기 전극체를 고정하는 전지 고정부가 마련된다.

또한, 상기 베이스 프레임에는 상기 전지 고정부를 이동시키는 이동부가 마련된다.

또한, 상기 직선 이동 가이드부는, 상기 세로판에 고정 결합되는 가이드 레일; 상기 가이드 레일에 슬라이딩 가능하게 결합되는 레일홀더; 및 상기 레일홀더의 외부에 결합되고 슬라이딩 이동하는 가동자를 포함한다.

또한, 상기 가이드 레일은 상기 고정축을 중심으로 방사 방향으로 배치된다.

또한, 상기 가이드 레일에는 측면에 길이 방향을 따라 가이드 홈 (또는 가이드 돌기)이 형성되고, 상기 레일홀더에는 측면에 상기 가이드 홈에 맞물리는 내측 가이드 돌기(또는 내측 가이드 홈)가 형성된다.

또한, 상기 가동자는 상기 레일홀더에 결합되는 제1 가동자 블럭과 상기 제1 가동자 블럭에 결합되는 제2 가동자 블럭을 포함한다.

또한, 상기 가동자는 상기 가동홀에 삽입 설치된다.

또한, 상기 가동자의 하단에는 종동축이 구비되어 상기 작동홈에 삽입 설치된다.

또한, 정면에서 볼 때, 상기 종동축은 상기 가이드 레일과 상기 작동홈의 교차 지점에 배치된다.

또한, 상기 가동자에는 상기 전극체를 가압하는 압착판이 구비된다.

또한, 상기 압착판은 상기 가동자에 결합되는 결합부와 상기 전극체에 접촉되는 접촉부를 포함한다.

또한, 상기 접촉부의 전면부는 원호 형태의 홈으로 형성된다.

그리고, 상기 압착판과 인접한 압착판은 서로 엇갈리도록 교차 배치된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 포밍 지그에 의하면 다수의 직선 이동 가이드부가 고정축을 방사상으로 배치된 전지 포밍 지그가 전극체의 원주면에 균등하게 압력을 가하므로 여러번으로 나누어져 포밍 작업을 수행할 필요가 없이 일회적으로 작업 수행이 가능하다.

따라서, 포밍 작업 공정이 단순해지고 작업 시간이 단축된다.

더불어, 여러번에 걸쳐 전극체를 회전시키며 작업할 경우 각도 오차 등의 작업 공차가 발생할 수 있는 오류를 제거하여 전지의 완성도 및 품질을 개선한다.

한편, 포밍 작업이 불완전할 경우 집전판의 결합 작업시 발생 가능한 불량률이 감소한다.

전지 포밍 지그에 의해 기계적으로 작업 공정이 진행되므로, 수동 작업에 의한 공정을 감소시켜 자동화된 공정이 증대한다.

전극체에 접촉하는 압착판의 접촉부가 원호 형상으로 형성되어 전지의 원형성 증대에 기여한다.

압착판과 인접한 압착판은 모서리부가 서로 중첩되도록 엇갈리게 배치되어 원주면을 따라 가해지는 압력이 작용하지 않는 부분 없이 전지의 원형성 증대에 기여한다.

도 1은 종래기술에 따른 전지 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 전지에 적용되는 전극체의 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 포밍 지그의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지에 적용되는 전지 포밍 지그의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 포밍 지그에 적용되는 회전구동판의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 포밍 지그에 적용되는 압착판의 사시도이다.
도 7은 도 3에서 직선 이동 가이드부의 후면도이다.
도 8은 도 3에서 압착판의 측면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지에 적용되는 전지 포밍 지그의 작용도로서 도 9는 가압 전 상태를 나타내고 도 10은 가압 후 상태를 나타낸다.
도 11은 도 8의 다른 실시예이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이들 도면에 의하여 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.

본 발명에서 구성요소를 지칭하기 위하여 사용된 "부재" 또는 "부"라는 용어는 어떤 한정적 목적을 위하여 사용된 것이 아니며, 생략하여도 무방하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 전지에 적용되는 전극체의 분해도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 포밍 지그의 사시도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지에 적용되는 전지 포밍 지그의 정면도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 전지 포밍 지그에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 포밍 지그는, 전지의 전극체(101)가 삽입되는 고정축(240)이 관통 설치되는 베이스 프레임(201); 상기 베이스 프레임(201)에 설치되고, 상기 고정축(240)을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 직선 이동 가이드부(300); 및 상기 복수의 직선 이동 가이드부(300)에 각각 구비되는 압착판(360)을 포함한다.

이차 전지(二次電池, secondary cell)는 축전지(storage battery), 충전지(rechargeable battery, 충전식 전지) 혹은 배터리(battery)라고 부르는 것으로, 외부의 전기에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있게 만든 전지이다.

이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말한다. 이차 전지 중에서 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰이나 카메라와 같은 휴대 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 팩이 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차나 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

이차 전지는 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩 단위로 제조된다. 여기서, 배터리 셀(Battery Cell)은 전기에너지를 충전，방전해 사용할 수 있는 배터리의 기본 단위로서, 양극，음극，분리막，전해액을 사각형의 알루 미늄 케이스에 넣어 만든다. 전지라고 할 때 때로는 배터리 셀을 뜻하고, 때로는 배터리 모듈을 뜻하고, 때로는 배터리 팩을 뜻한다. 이는 각 구성 단위별로 전기 에너지를 요구하는 제품에 사용될 수 있음을 뜻한다.

여기서, 배터리 셀은 먼저 재료 판들을 롤(roll) 형태로 말아서 원통형의 전극체(101)를 만드는데, 이러한 원통형의 전극체(101)를 젤리 롤(Jelly-roll)이라고 칭하기도 한다.

전극체(101)는 양극재(양극판)(110)와 음극재(음극판)(130) 및 분리막(세퍼레이터)(120)를 포함한다. 도 4를 참조하면, 각각 판으로 형성되는 양극재(110)와 음극재(130), 그리고 양극재(110)와 음극재(130) 사이 및 양극재(110)의 배후면에 각각 배치되는 분리막(120)으로 구성된 전극체(101)가 도시되어 있다. 롤 형태로 감기는 전극체의 외곽부에서부터 순서대로 살펴보면, 분리막(120)-양극재(110)-분리막(120)-음극재(130)의 순으로 배치된다. 물론, 이러한 배치 순서는 설계 목적이나 구조적 효율성 등을 고려하여 변경될 수 있다.

전극 공정은 원재료 투입후 전극을 구성하는 활물질과 도전재，바인더를 섞어서 양극과 음극을 만드는 공정이다.

전극(극판) 공정 (Electrode Process)은 양극재와 음극재를 각각 알루미늄 극판，동박 극판에 붙이는 공정이다. 믹싱，코팅 및 건조，압연，슬리팅，진공건조 공정으로 세분화 된다. 코팅 및 건조，압연 공정은 롤투롤(roll-to-roll) 장비를 기반으로 구성되어 있다.

믹싱(Mixing)은 전극 공정의 첫단계로 활물질에 도전재，바인더，용매를 넣고 섞어 슬러리(Slurry)를 만든다. 분말 형태의 활물질과 도전재를 건식 믹싱하고, 바인더를 녹인 용매와 습식 믹싱한 후 슬러리(Slurry)로 만든다. 여기서, 슬러리(Slurry)는 고체와 액체의 혼합물 또는 미세한 고체입자가 물속에 현탁(懸獨)된 현탁액을 말한다.

압연(Press)은 롤투롤(Roll-to-Roll) 장비를 이용하여 기재(Al，Cu)와 활물질이 잘 붙도록 압력을 가하여 전극 두께를 줄이고，에너지 밀도를 높이는 공정으로 두께만 줄이고 길이는 일정하게 하고，이온의 원활한 이동성을 부여한다.

슬리팅(Slitting)은 슬리터(Slitter)를 이용해 설계된 전지 규격에 맞춰 전극 폭을 자른다.

진공 건조(Vacuum Drying)는 절단 공정을 마친 롤 형태의 전극판을 진공 건조기를 이용해 장시간 건조를 통해 수분을 제거하는 공정이다.

배터리(Battery) 조립 공정은 전극 공정에서 제조된 극판들을 쌓고 캡을 씌우거나 파우치 밀봉 후 전해액을 주입하는 공정이다.

조립 공정 (Assembly Process)은 전극 공정을 통해 제조된 양극판과 음극판을 분리막과 같이 조립하여 완성품 셀을 만드는 공정이다. 노칭(Notching), 와인딩(or 스태킹)，탭 웰딩(Tab W elding), 패키징(Packiging)으로 이루어져 있다. 조립 공정은 수분과의 접촉을 막기 위해 드라이 룸(Dry Room)에서 공정을 진행한다.

노칭(Notching)은 양극과 음극 랩을 제조하기 위해 배터리 모양에 맞추어 극판을 알맞은 크기로 자르는 공정이다. 전극 공정을 모두 마친 롤 형태로 길게 이어진 양극판，음 극판들은 노칭공정으로 들어가게 된다. 무지부(Non-Coating:양/음극 활물질이 도포되지 않은 빈 공간)를 자르는 노칭공정을 통하여，롤 형태의 양극판， 음극판들을 다양한 배터리 모양에 맞춘 단일 극판 형태로 자른다.

와인딩(Winding)은 양극판과 음극판 사이에 분리막을 넣고 원통형으로 말아 '젤리롤(Jelly-Roll)을 만들어 주는 공정이다.

탭 웰딩(Tab Welding)은 단일 극판으로부터 흘러나오는 전류를 한 곳으로 모으는 공정으로，스태킹된 배터리 양극과 음극에 알루미늄과 구리 탭(Tab)을 무지부에 접착시키는 공정이다.

기존에는 초음파를 통해 접합부에 진동을 일으켜 열을 발 생시켜 탭을 접착하였고，이후 적층 수가 늘어나면서 레이저를 통해 용접하는 방식을 채택하고 있다.

패키징(Packiging)은 전해액을 주입한 후 최종 전지 형태로 모형을 형성하고 밀봉하는 공정이다. 각형과 원통형은 알루미늄 메탈케이스와 캔(CAN)이 봉 지역할을 하며，캡(Cap)을 닫고 레이저로 용접한 후 전해 액을 주입한다. 파우치형은 알루미늄 필름 파우치가 봉지역할을 하며，열을 가해 패킹한 후 전해액 주입하고 밀봉하고 셀 형태로 절단한다.

파우치형은 전해액 주입후 1차 충방전을 하면 가스가 차 부풀게 되는데，최종 셀 조립 마무리 전에 가스를 빼주는 디개싱(Degassing) 공정이 추가된다.

전극체(101)에서 양극재(110)와 음극재(130)는 유지부와 무지부를 포함한다.

양극재(110)는 금속재료판에 양극 활물질이 도포되는 양극 유지부(114)와 양극 활물질이 도포되지 않는 양극 무지부(112)로 나뉜다. 양극 유지부(114)는 전극 물질이 도포되어 양극을 형성되는 부분이고, 양극 무지부는 전극 물질이 도포되지 않고, 케이스나 집전판과의 결합 등을 위해 마련되는 부분이다.

음극재(130)는 금속재료판에 음극 활물질이 도포되는 음극 유지부(132)와 음극 활물질이 도포되는 음극 무지부(134)로 나뉜다. 음극 유지부는 전극 물질이 도초되어 음극을 형성되는 부분이고, 음극 무지부는 전극 물질이 도포되지 않고, 케이스나 집전판과의 결합 등을 위해 마련되는 부분이다.

전극체(101)는 롤 형태로 말아진 형태로 다음 공정으로 넘어간다. 전극체(101)는 무지부에 대한 포밍 작업을 위해 전지 포밍 지그에 삽입된다.

전지 포밍 지그(200)를 설명하기로 한다.

전지 포밍 지그(200)는 고정축(240)이 관통 설치되는 베이스 프레임(201), 상기 베이스 프레임(201)에 설치되고 상기 고정축(240)을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 직선 이동 가이드부(300), 상기 복수의 직선 이동 가이드부(300)에 각각 설치되는 압착판(360)을 포함한다.

베이스 프레임(201)은 큰 중량을 안정적으로 지지할 수 있도록 철재 등의 금속재로 형성될 수 있다.

베이스 프레임(201)에는 가로판(202)과 세로판(203) 및 지지판(204)을 포함할 수 있다.

가로판(202)은 지면에 가로 방향으로 설치된다. 가로판(202)은 전지 포밍 지그 전체를 지지한다.

세로판(203)은 가로판(202)에 직교하는 방향으로 설치된다. 세로판(203)은 고정축(240) 및 직선 이동 가이드부(300)가 설치되고 지지한다.

세로판(203)에는 가동홀(209)이 형성된다. 가동홀(209)은 일자형 홀로서 가이드 레일(330)의 양측에 각각 형성된다. 가동홀(209)은 가동자(310)가 삽입되어 이동할 수 있는 공간을 제공한다.

지지판(204)은 세로판(203)에 평행한 방향으로 설치된다. 지지판(204)은 세로판(203)에 병렬 설치되어 구성요소들을 지지한다.

세로판(203)과 지지판(204)의 사이에 회전구동판(210)이 마련된다. 도 5를 참조할 수 있다. 회전구동판(210)은 지지판(204)에 회전 가능하게 설치된다. 회전구동판(210)은 직선 이동 가이드부(300)를 동작시키는 힘을 제공한다.

회전구동판(210)에는 중심부에 고정축(240)이 관통 삽입되는 축홀(214)이 형성된다.

회전구동판(210)에는 작동홈(212)이 형성된다. 작동홈(212)은 회전구동판(210)의 외곽부로부터 내측으로 형성되는 소정 길이의 직선형 홈이다. 이때, 작동홈(212)은 축홀(214)을 향하지 않는다.

도 4를 참조하면, 작동홈(212)의 길이 방향은 가동홀(209)의 길이 방향과 서로 교차하고 소정 각도를 이루도록 배치된다. 또한, 작동홈(212)의 길이 방향은 가이드 레일(330)의 길이 방향과 서로 교차하고 소정 각도를 이루도록 배치된다.

전지 고정부(205)가 마련된다. 전지 고정부(205)는 세로판(203)을 기준으로 지지판(204)의 반대편에 설치된다. 전지 고정부(205)는 고정축(240)에 전극체(101)가 삽입된 후 전극체(101)의 타단부를 고정 지지하기 위하여 마련된다. 전지 고정부 말단부에 고정부 엔드 플레이트(206)가 마련된다.

고정축(240)이 전지 고정부(205)와 세로판(203)을 관통하여 설치된다. 고정축(240)에 전극체(101)를 삽입하여 포밍 작업을 할 수 있다.

전지 고정부(205)의 하부에 이동부(207)가 마련된다. 이동부(207)는 전지 고정부(205)를 고정축(240) 방향을 따라 직선 이동시킨다.

직선 이동 가이드부(300)가 마련된다. 직선 이동 가이드부(300)는 압착판(315)을 이동시키고 지지하기 위하여 마련된다.

직선 이동 가이드부(300)는 세로판(203)에 고정 결합되는 가이드 레일(330)과 상기 가이드 레일(330)에 슬라이딩 가능하게 결합되는 'ㄷ'자형의 레일홀더(310) 및 상기 레일홀더(310)의 외부(상부)에 결합되고 슬라이딩 이동하는 가동자(320)를 포함한다.

가이드 레일(330)은 세로판(203)에 고정 설치된다. 가이드 레일(330)은 고정축(240)을 향해 배치된다. 즉, 가이드 레일(330)은 고정축(240)으로부터 방사 방향을 향하도록 설치된다.

도 7을 참조하면, 가이드 레일(330)에는 측면에 길이 방향을 따라 가이드 홈(334)(또는 가이드 돌기)이 형성된다.

레일홀더(310)는 금속 재료 또는 합성 수지 재료로 제조될 수 있다. 레일홀더(310)는 단면이 'ㄷ'자 형상으로 형성된다.

레일홀더(310)는 가이드 레일(330)을 따라 이동하면서 가동자(310)와 함께 움직인다.

레일홀더(310)에는 내측벽에 길이 방향을 따라 내측 가이드 돌기(314)(또는 내측 가이드 홈)가 형성된다. 레일홀더(310)의 내측 가이드 돌기(314)는 가이드 레일(330)의 가이드 홈(334)에 맞물린다. 내측 가이드 돌기(314)는 레일홀더(310)의 이동을 안내하는 역할을 보조한다.

레일홀더(310)는 고정축(240)을 향해 배치된다. 즉, 레일홀더(310)는 고정축(240)에서 방사 방향으로 향하는 선에 길이 방향으로 배치된다. 따라서, 가동자(320) 및 레일홀더(310)는 고정축(240)을 향해 움직이게 된다.

가동자(320)는 레일홀더(310)의 상부 또는 외부에 고정 설치된다. 따라서, 가동자(310)는 레일홀더(310)와 함께 움직인다. 가동자(310)는 슬라이딩 운동 가능하게 설치된다. 가동자(320)는 다수의 블럭으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 가동자(320)는 레일홀더(310)에 결합되는 제1 가동자 블럭(322)과 상기 제1 가동자 블럭(322)에 결합되는 제2 가동자 블럭(324)으로 구성될 수 있다.

제1 가동자 블럭(322)은 가이드 레일(330)의 길이 방향을 따라 운동한다. 제1 가동자 블럭(322)은 외부의 동력에 의한 기계적 힘에 의해 움직일 수 있다. 예를 들면, 서보 모터 등의 힘을 받아 움직일 수 있다.

제1 가동자 블럭(322)은 단면이 'ㅁ'자 형태로 형성될 수 있다. 제1 가동자 블럭(322)의 하단에는 종동축(318)이 마련된다. 종동축(318)은 회전구동판(210)의 힘을 받아 이동한다. 종동축(318)은 회전구동판(210)의 작동홈(212)에 삽입되어 회전구동판(210)의 힘을 받는다. 즉, 회전구동판(210)이 회전하면 작동홈(212)에 삽입된 종동축(318)이 작동홈(212) 측벽의 힘을 받는다. 종동축(318)은 가동자(310)에 결합되어 있고, 가동자(310)는 가동홀(209)에 설치되어 있으므로 가동홀(209)의 방향을 따라 이동한다. 즉, 고정축(240)을 향해 전진하거나 후진한다.

정면에서 볼때, 회전구동판(210)의 작동홈(212)과 세로판(203)의 가이드 레일(330)의 교차 지점을 따라 종동축(318)이 이동하는 것으로 보인다.

작동홈(212)과 가이드 레일(330)이 소정 각도 엇갈리게 형성되어 있으므로, 회전구동판(210)이 회전하면 작동홈(212)과 가이드 레일(330)의 교차 지점은 고정축(240)을 향해 전진하거나 후진하게 된다. 따라서, 작동홈(212)과 가이드 레일(330)의 교차 지점에 배치되는 종동축(318)은 고정축(240)을 기준으로 방사 방향으로 전진 또는 후진 이동한다.

제2 가동자 블럭(324)은 제1 가동자 블럭(322)에 고정 설치된다. 따라서, 제2 가동자 블럭(324)은 제1 가동자 블럭(322)과 일체로 움직인다.

제2 가동자 블럭(324)에는 압착판(360)이 구비된다.

압착판(360)은 전극체(101)를 측면에서 가압하기 위하여 구비된다. 압착판(360)은 전극체(101)의 측면부를 압착하여 전극체(101)의 체적당 밀도를 높이고 전극체(101)의 원형성을 증대시키도록 한다.

도 6에 압착판(360)의 사시도가 도시되어 있다.

압착판(360)은 금속판 또는 합성수지판 또는 석판으로 제조될 수 있다.

압착판(360)은 제2 가동자 블럭(324)에 결합되는 결합부(361)과 전극체(101)에 접촉하는 접촉부(365)로 구성될 수 있다.

결합부(361)는 제2 가동자 블럭(324)에 결합되는 부분이다. 결합부(361)에는 끼움 결합을 위한 체결홀(362)이 복수 개 형성된다.

접촉부(365)는 결합부(361)에 동일한 층으로 형성된다. 접촉부(365)는 전극체(101)의 외주면에 접촉되는 부분이다. 접촉부(365)는 직사각형 형태로 형성될 수 있다.

접촉부(365)의 전면부, 즉 접촉부(365)가 전극체(101)에 접촉하는 접촉면(366)은 원주면의 호 형태로 절삭 형성된다. 다시 말해, 접촉부(365)에는 상면에서 볼 때 오목한 홈이 형성된다. 이에 따라, 전극체(101)의 외주면을 압착하여 원형성을 증대시킨다.

도 7을 참조하면, 제1 가동자 블럭(322)은 'ㅁ'자 형태로 일체로 형성될 수도 있고, 'ㄷ'자 형태로 2개로 구분 구성될 수도 있다. 이때, 상부에 놓인 부분을 상부 블럭(321)라 칭하고, 하부에 놓인 부분을 하부 블럭(350)으로 칭하기로 한다.

하부 블럭(350)이 마련된다. 하부 블럭(350)은 세로판(203)의 하부에 고정 설치된다. 하부 블럭(350)은 세로판(203)을 기준으로 상부 블럭(321)에 대칭으로 설치될 수 있다. 하부 블럭(350)는 상부 블럭(321)과 동일하게 형성될 수 있다.

세로판(203)을 기준으로 상부 블럭(321)와 하부 블럭(350)이 상하로 마련되므로 가동자(320)의 지지력이 증대하고 가동자(320)를 제작하거나 설치하기 용이하다.

직선 이동 가이드부(300)는 다수개로 만들어진다. 이때 다수개의 직선 이동 가이드부(300)는 서로 방사상으로 배치된다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 6개의 직선 이동 가이드부(300)가 각각 인접한 직선 이동 가이드부(300)와 60도의 각도로 배치될 수 있다. 이에 따라, 전극체(101)의 원주면을 방사 방향으로 압착하게 된다.

이때, 인접한 압착판과 높이가 다르게 배치될 수 있다. 도 8은 압착판(360)이 동작한 상태, 즉 전극체(101)에 대한 압착이 이루어진 상태에서 압착판(360)의 정면도를 나타낸 것이다.

우측에 인접한 압착판은 A첨자를 달고, 좌측에 인접한 압착판은 B첨자를 달아 구분하였다.

압착판(360)에 인접한 압착판(360A, 360B)은 각각 압착판(360)의 하부 또는 상부에 배치된다. 즉, 압착판들은 인접한 순서대로 상하 교대로 엇갈려 배치된다. 다라서, 압착판(360)의 제1 모서리(367)는 우측에 인접한 압착판(360A)의 제2 모서리(368A)와 겹칠 수 있고, 압착판(360)의 제2 모서리(368)는 좌측에 인접한 압착판(360B)의 제1 모서리(367B)와 겹칠 수 있다.

인접한 압착판들이 서로 엇갈리도록 교차 배치되므로 전극체(101)를 압착한 상태에서 압착판의 모서리부는 2중으로 전극체(101)를 가압하게 된다. 따라서, 전극체(101)를 원주면을 따라 가압할 때, 제외되는 부분이 없이 고루 압착하게 되고, 모서리 부분에서의 가압력은 더 증대하는 효과가 있다.

도 9 및 도 10에 직선 이동 가이드부(300)의 작동 전, 후 상태가 나타나 있다.

도 9에는 가동자(320)가 모두 후퇴한 상태에 있다. 가동자(320)의 압착판(360)은 모두 전극체(101)로부터 이격된 상태에 있다.

이 상태에서 전극체(101)를 고정축(240)에 삽입할 수 있다.

도 10에는 가동자(320)가 모두 전극체(101)를 향하여 전진한 상태에 있다.

여기서, 가동자(320)의 압착판(360)은 전극체(101)의 외주면에 접촉하여 압력을 가하고 있는 상태이다. 압착판(360)은 인접한 압착판과 모서리 부분이 서로 중첩된다.

도 11에는 압착판(360)들의 배치가 다른 실시예가 도시되어 있다. 여기서, 3개의 인접한 압착판은 서로 순차적으로 계단처럼 상승하는 방식으로 엇갈리게 배치된다.

이상에서 설명한 실시예들은 본 발명을 구현하기 위한 최선의 실시 상태를 예시하고 있는 것들로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 이들 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것들에 지나지 않는다. 그러므로 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니라는 사실을 이해하여야 한다. 즉, 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

101 전극체
110 양극재
112 양극 유지부
114 양극 무지부
130 음극재
132 음극 유지부
134 음극 무지부
200 전지 포밍 지그
201 베이스 프레임
202 가로판
203 세로판
204 지지판
205 전지 고정부
207 이동부
209 가동홀
210 회전구동판
212 작동홈
214 축홀
240 고정축
300 직선 이동 가이드부
310 레일홀더
320 가동자
322 제1 가동자 블럭
324 제2 가동자 블럭
330 가이드 레일
360 압착판
361 결합부
365 접촉부

Claims

전지의 전극체가 삽입되는 고정축이 관통 설치되는 베이스 프레임;
상기 베이스 프레임에 설치되고, 상기 고정축을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 직선 이동 가이드부; 및
상기 복수의 직선 이동 가이드부에 각각 구비되고 상기 전극체를 가압하는 압착판을 포함하는 전지 포밍 지그.
제1항에 있어서, 상기 베이스 프레임은,
지면에 배치되는 가로판;
상기 지면에 직교하는 세로판; 및
상기 가로판에 설치되고 상기 세로판에 평행한 지지판을 포함하는 전지 포밍 지그.
제2항에 있어서, 상기 세로판에는 상기 직선 이동 가이드부가 이동할 수 있는 일자형의 가동홀이 형성되는 전지 포밍 지그.
제3항에 있어서, 상기 세로판과 지지판 사이에는 상기 직선 이동 가이드부가 이동하는 동력을 제공하는 회전구동판이 구비되는 전지 포밍 지그.
제4항에 있어서, 상기 회전구동판에는 상기 고정축이 관통 삽입되는 축홀이 형성되는 전지 포밍 지그.
제4항에 있어서, 상기 회전구동판에는 일자형의 작동홈이 형성되고, 상기 작동홈은 상기 가동홀에 소정 각도 경사 형성되어 서로 교차하는 전지 포밍 지그.
제1항에 있어서, 상기 베이스 프레임에는 상기 전극체를 고정하는 전지 고정부가 마련되는 전지 포밍 지그.
제7항에 있어서, 상기 베이스 프레임에는 상기 전지 고정부를 이동시키는 이동부가 마련되는 전지 포밍 지그.
제6항에 있어서, 상기 직선 이동 가이드부는,
상기 세로판에 고정 결합되는 가이드 레일;
상기 가이드 레일에 슬라이딩 가능하게 결합되는 레일홀더; 및
상기 레일홀더의 외부에 결합되고 슬라이딩 이동하는 가동자를 포함하는 전지 포밍 지그.
제9항에 있어서, 상기 가이드 레일은 상기 고정축을 중심으로 방사 방향으로 배치되는 전지 포밍 지그.
제10항에 있어서, 상기 가이드 레일에는 측면에 길이 방향을 따라 가이드 홈 (또는 가이드 돌기)이 형성되고, 상기 레일홀더에는 측면에 상기 가이드 홈에 맞물리는 내측 가이드 돌기(또는 내측 가이드 홈)가 형성되는 전지 포밍 지그.
제10항에 있어서, 상기 가동자는 상기 레일홀더에 결합되는 제1 가동자 블럭과 상기 제1 가동자 블럭에 결합되는 제2 가동자 블럭을 포함하는 전지 포밍 지그.
제12항에 있어서, 상기 가동자는 상기 가동홀에 삽입 설치되는 전지 포밍 지그.
제9항에 있어서, 상기 가동자의 하단에는 종동축이 구비되어 상기 작동홈에 삽입 설치되는 전지 포밍 지그.
제14항에 있어서, 정면에서 볼 때, 상기 종동축은 상기 가이드 레일과 상기 작동홈의 교차 지점에 배치되는 전지 포밍 지그.
제9항에 있어서, 상기 가동자에는 상기 전극체를 가압하는 압착판이 구비되는 전지 포밍 지그.
제16항에 있어서, 상기 압착판은 상기 가동자에 결합되는 결합부와 상기 전극체에 접촉되는 접촉부를 포함하는 전지 포밍 지그.
제17항에 있어서, 상기 접촉부의 전면부는 원호 형태의 홈으로 형성되는 전지 포밍 지그.
제16항에 있어서, 상기 압착판과 인접한 압착판은 서로 엇갈리도록 교차 배치되는 전지 포밍 지그.