KR20230009857A - 전극 조립체 제조장치 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스택 테이블, 분리막 공급부, 제1 전극 공급부, 제2 전극 공급부 및 사이드 실링부를 포함하는 전극 조립체 제조장치에 관한 것이다. 스택 테이블에는 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 분리막이 적층되어 있다. 분리막 공급부는 스택 테이블에 분리막을 공급하도록 구성된다. 상기 제1 전극 공급부는 상기 스택 테이블 상의 세퍼레이터의 단면 상에 상기 제1 전극을 적층하도록 구성된다. 상기 제2 전극 공급부는 상기 제1 전극 상의 분리막의 다른 단면 상에 제2 전극을 적층한다. 사이드 실링부는 스택의 적어도 일측면을 가열한다.
Description
본 출원은 2021년 7월 9일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0090590호, 2021년 7월 9일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0090591호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 전극 조립체 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전극 조립체에 포함된 분리막의 크기를 감소시켜 전극 조립체의 전극 밀도를 높인 전극 조립체 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
전극 조립체는 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 권취한 젤리 롤(Jelly-roll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 적층물형, 및 적층물형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리필름으로 권취한 적층물 앤 폴딩형으로 대략 분류할 수 있다.
종래 적층물 앤 폴딩형 전극 조립체를 제조하는 공정은 전극과 분리막을 적층한 적층물을 가열 및 가압하여 전극과 분리막을 접착시켜 전극 조립체를 제조하였다. 이때, 전극 조립체는 분리막이 접혀 전극이 외부로 노출되는 문제가 발생하였다.
이러한 종래 전극 조립체의 문제점을 해결하기 위해 전극과 분리막을 가열하여 적층함으로써, 각 층을 적층하면서 가압하여 적층과 동시에 접착하였고, 분리막이 전극과 분리막이 적층된 적층물의 최외각을 감싸 전극 조립체를 제조하였다.
그러나, 상기 전극 조립체는 적층물의 최외각을 감싼 분리막으로 인해 전극 조립체의 측면에 위치된 분리막과 전극 조립체 측면에 위치된 분리막과 대면되는 위치의 전극 사이 공간이 형성되어 전극 조립체 측면 분리막에 주름이 포함되고, 따라서, 전극 조립체의 에너지 밀도가 감소되는 문제가 발생하였다.
그러므로, 분리막 측부와 전극 조립체 측부 사이에 형성되는 공간에 대한 대책이 필요하다.
본 발명은 종래의 전극 조립체 대비 넓이가 감소된 전극 조립체를 제조하도록 구성될 수 있는 전극 조립체 제조장치 및 이의 제조방법을 제공한다. 특히, 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 분리막이 적층된 적층체를 가열 및 가압하여 전극 조립체의 폭을 감소시킴으로써, 종래 전극 조립체에 비해 전극 조립체를 수축시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 분리막의 단면을 포함하는 적층물을 제조하기 위한 전극 조립체 제조장치로서, 적층물을 지지하는 스택 테이블; 상기 분리막의 일부를 상기 스택 테이블에 공급하는 분리막 공급부; 상기 스택 테이블에 지지된 상기 분리막 상에 상기 제1 전극을 적층하는 제1 전극 공급부; 상기 스택 테이블에 의해 지지된 상기 분리막 상에 상기 제2 전극을 적층하도록 구성된 제2 전극 공급부 및 상기 적층물의 적어도 하나의 측면을 가열하여 상기 분리막의 단면으로부터 분리된 부분 또는 상기 적층물의 측면을 덮는 별도의 분리막 중 어느 하나를 상기 적층물의 측면에 접합시키는 사이드 실링부를 포함하는 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 사이드 실링부는 한 쌍의 가열바를 포함하고, 상기 한 쌍의 가열바는 상호 마주보는 방향으로 이동되며 상기 적층물의 측면을 가압하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 프레스부를 더 포함하는 전극 조립체 제조장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시상태에서 상기 프레스부는 상기 적층물을 압축하면서 상기 적층물을 가열하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시상태에서 상기 프레스부는 적층물을 압축하고 동시에 가열하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시상태에서 상기 프레스부는 상기 적층물을 압축하기 전에 가열할 수 있고, 다른 실시상태에서 상기 프레스부는 상기 적층물의 압축 전 및 압축 중에 적층물을 가열하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 사이드 실링부는 상기 프레스부의 가압 방향과 수직한 방향으로 상기 적층물을 가압하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 프레스부는 한 쌍의 가압블럭을 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 가압블럭은 서로 마주할 수 있다. 상기 한 쌍의 가압블럭은 서로 마주보는 적층물의 상면 및 하면을 압축하기 위해 서로를 향해 이동되는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 한 쌍의 가압블럭은 각각 가압면을 포함하고, 상기 가압면은 상기 적층물과 대면하는 면과 접촉하고, 상기 가압면이 상기 적층물을 압축할 때, 상기 적층물과 마주보는 면은 평면으로 구비되는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 프레스부는 한 쌍의 가압블럭을 가열하는 프레스 히터를 포함하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 프레스부의 한 쌍의 가압블록이 각각 평면의 가압면을 포함하고, 상기 가압블럭의 가압면은 적층물의 너비 및 길이보다 더 길게 구비되는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 제1 전극 공급부는 상기 스택 테이블에 상기 제1 전극이 적층되기 전에 상기 제1 전극을 안착시키는 제1 전극 안착 테이블 및 상기 제1 전극을 임시 고정하고, 상기 제1 전극 안착 테이블에 임시 고정된 상태에서 상기 제1 전극을 상기 스택 테이블 상의 공정 중 상기 스택 테이블로 이송되도록 하는 제1 이송 헤드를 포함하고, 상기 제1 이송 헤드는 상기 제1 전극을 상기 제1 이송 헤드에 고정하기 위해 상기 제1 전극을 흡인하도록 구성된 제1 흡인 헤드를 포함하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시상태는 상기 제2 전극 공급부는 상기 스택 테이블에 상기 제2 전극이 적층되기 전에 상기 제2 전극을 안착시키는 제2 전극 안착 테이블 및 상기 제2 전극을 임시 고정하고, 상기 제2 전극 안착 테이블에 임시 고정된 상태에서 상기 제2 전극을 상기 스택 테이블 상의 공정 중 상기 스택 테이블로 이송되도록 하는 제2 이송 헤드를 포함하고, 상기 제2 이송 헤드는 상기 제2 전극을 상기 제2 이송 헤드에 고정하기 위해 상기 제2 전극을 흡인하도록 구성된 제2 흡인 헤드를 포함하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시상태는 상기 제1 이송 헤드 및 상기 제2 이송 헤드는 각각 상기 제1 전극 및 제2 전극을 임시 고정하기 위한 진공 장치를 포함하는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 스택 테이블을 회전시키는 회전부를 더 포함하고, 상기 제1 전극 공급부는 상기 회전부의 일측에 구비되고, 상기 제2 전극 공급부는 상기 회전부의 일측에 반대되는 타측에 구비되고, 상기 회전부는 상기 제1 전극이 적층될 때 상기 스택 테이블을 상기 제1 이송 헤드와 마주하도록 상기 스택 테이블을 상기 제1 측으로 회전시키고, 상기 제2 전극이 적층될 때 상기 제2 이송 헤드와 대향하도록 상기 스택 테이블을 제2 측으로 회전시키는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 회전부는 상기 스택 테이블을 상기 제1 전극 공급부 방향과 상기 제2 전극 공급부 방향으로 교대로 회전시키는 것인 전극 조립체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는 적층물을 제조하는 전극 조립체 제조방법에 있어서, 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 공급 및 적층하여 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 분리막이 배치된 상태로 상기 제1 전극 및 제2 전극의 상기 적층물을 제조하는 단계 및 상기 적층물의 적어도 일측면을 가열하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 상기 분리막과 접합시키는 단계를 포함하는 전극 조립체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 상기 분리막과 접합시키는 단계는 100℃ 내지 200℃의 온도에서 10초 이하의 시간 동안 상기 적층물의 적어도 하나의 측면을 가압하는 것인 전극 조립체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는 상기 적층물이 적층된 방향으로 상기 적층물을 가압하는 단계를 더 포함하는 전극 조립체 제조방법을 제공한다. 본 발명의 다른 실시상태는 상기 적층물을 가열하는 단계를 더 포함하는 전극 조립체 제조방법을 제공한다. 본 발명의 다른 실시상태는 상기 적층물이 압축되기 전, 동시에 또는 상기 적층물이 압축되기 전 및 동시에 가열되는 것인 전극 조립체 제조방법을 제공한다. 본 발명의 다른 실시상태는 프레스부는 상기 적층물을 압축하고 동시에 가열하는 것인 전극 조립체 제조방법을 제공한다. 본 발명의 다른 실시상태는 상기 프레스부는 상기 적층물을 압축하기 전에 가열할 수 있고, 또 다른 실시상태는 상기 프레스부가 상기 적층물의 압축 전 및 압축 중에 상기 적층물을 가열하는 것인 전극 조립체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 상기 분리막과 접합시키는 단계는 상기 적층물의 적어도 하나의 측면을 0.1 내지 1.5MPa의 압력으로 압축하는 것인 전극 조립체 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전극 조립체 제조장치 및 이의 제조방법에 따르면, 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 교대로 적층된 적층물을 히팅 가압하여 전극 조립체를 수축 및 전극 조립체의 넓이를 감소시켜 전극 조립체의 전극 밀도 및 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 전극 조립체의 적층된 구성요소의 폭은 전극 조립체를 수축할 때 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 적층물의 폭은 제1 및 제2 전극과 제1 및 제2 전극 사이의 분리막을 포함할 수 있는 적층물을 가열함으로써 감소될 수 있다.
전술한 어느 하나에 따른 일 실시예에서, 전극 조립체는 파우치 내부 공간, 예를 들어 파우치형 전지에 사용하기 위한 또는 원통형 전지에 사용하기 위한 캔의 내부 공간에 대응하는 치수로 제조될 수 있다. 이와 같이, 파우치 또는 캔의 크기는 전극 조립체의 제조 능력에 대한 우려 없이 원하는 대로 용이하게 변경될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 조립체를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체의 적층체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 조립체 제조장치를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3의 전극 조립체 제조장치를 나타내는 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태에 따른 도 3의 전극 조립체 제조장치의 사이드 실링부 내 전극 조립체의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 조립체 제조공정의 공정 흐름도이다.
도 7은 광학 현미경으로 촬영한 도 1에 따른 전극 조립체의 A-A'선에 따라 대략적으로 위치한 전극 조립체를 확대한 단면 사진이다.
도 8은 본 발명에서 추가로 기재된 바와 같이 비교예 1 및 2의 단면을 절단한 후 광학 현미경으로 촬영한 전극 조립체를 확대한 단면 사진이다.
도 9는 비교예 3에 따른 전극 조립체 사진이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체의 적층체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 조립체 제조장치를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3의 전극 조립체 제조장치를 나타내는 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태에 따른 도 3의 전극 조립체 제조장치의 사이드 실링부 내 전극 조립체의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 조립체 제조공정의 공정 흐름도이다.
도 7은 광학 현미경으로 촬영한 도 1에 따른 전극 조립체의 A-A'선에 따라 대략적으로 위치한 전극 조립체를 확대한 단면 사진이다.
도 8은 본 발명에서 추가로 기재된 바와 같이 비교예 1 및 2의 단면을 절단한 후 광학 현미경으로 촬영한 전극 조립체를 확대한 단면 사진이다.
도 9는 비교예 3에 따른 전극 조립체 사진이다.
본 발명에 대한 상세한 설명은 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위한 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 하거나, 어떤 구조와 형상을 “특징”으로 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하거나 다른 구조와 형상을 배제한다는 것이 아니라, 다른 구성요소, 구조 및 형상을 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 제시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 실시예의 의한 발명의 내용을 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 도면은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 도면에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극 조립체는 적층물(S) 및 적층물(S)을 둘러싸는 제2 분리막(5)을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 적층물(S)에서 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)은 제1 분리막(4)의 적층부(4a) 사이에 교대로 배치될 수 있다. 추가로 도시된 바와 같이, 제1 분리막(4)은 적층부(4a)를 형성하기 위해 지그재그 방식으로 접힐 수 있다.
도 3 내지 5를 참조하면, 전극 조립체 제조장치(100)는 스택 테이블(10), 분리막 공급부(20), 제1 전극 공급부(30), 제2 전극 공급부(40) 및 사이드 실링부(60)를 포함한다.
스택 테이블(10)은 제1 전극(1), 제1 분리막(4)의 적층부 및 제2 전극(2)의 순서대로 적층된 하나의 지지면을 가질 수 있다. 제1 전극(1), 제2 전극(2) 및 제1 및 제2 전극 사이 위치되는 제1 분리막(4)의 적층부가 적층된 적층물(S)은 제1 전극(1), 적층부(4a) 및 제2 전극(2)의 제1 조합 상에 장착될 수 있다. 제1 분리막(4)은 지그재그 방식으로 접혀서 적층부(4a) 및 각 적층부(4a)의 대향하는 측면에 폴딩부(4b)를 형성할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 분리막(4)의 적층부(4a)는 적층물(S) 내의 제1 전극(1)의 각각의 전극과 제2 전극(2)의 각각의 전극 사이에 배치될 수 있다.
스택 테이블(10)은 제1 전극(1)이 스택 테이블(10)에 의해 지지되는 제1 분리막(4)의 각 적층부(4a)와 선 적층된 전극 및 분리막의 적층부(4a) 상에 적층될 수 있도록 공급되는 각각의 제1 전극(1)을 향해 한 방향으로 회전 가능하며, 스택 테이블(10)에 의해 지지되는 제1 분리막(4)의 적층부(4a)와 선 적층된 전극 및 분리막의 적층부(4a) 각각에 제2 전극(2)이 적층될 수 있도록 공급되는 각각의 제2 전극(2)을 향해 한 방향과 반대되는 다른 방향으로 회전할 수 있다. 따라서, 전극 조립체 제조장치(100)는 스택 테이블(10)을 회전시키는 회전부(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 회전부에 대한 자세한 내용은 본 명세서에 참조에 의해 통합된 한국공개특허공보 제10-2020-0023853호를 참조한다.
전극 조립체 제조장치(100)에서 제1 전극 공급부(30)는 스택 테이블(10)의 일측에 위치하고, 제2 전극 공급부(40)는 스택 테이블(10)의 타측에 위치할 수 있다. 도시된 전극 조립체 제조장치(100)의 구성에서, 회전부는 제1 전극 공급부(30) 방향 및 제2 전극 공급부(40) 방향으로 스택 테이블(10)을 교대로 회전시킬 수 있다.
예를 들어, 분리막 공급부(20)는 스택 테이블(10)의 상부, 즉 적층물(S)의 적층 방향을 따라 위치할 수 있다. 이러한 구성에서, 제1 전극 공급부(30)는 스택 테이블(10)의 좌측에 위치하고, 제2 전극 공급부(40)는 적층물(S)의 적층 방향을 기준으로 스택 테이블(10)의 우측에 위치할 수 있다.
도시된 전극 조립체 제조장치(100)의 구성에서, 회전부는 제1 전극(1)을 적층할 때 스택 테이블(10)이 제1 이송 헤드(32) 또는 제1 전극(1)을 일시적으로 유지하기 위한 다른 제1 부착 장치를 향하도록 스택 테이블(10)을 회전시킬 수 있다. 회전부는 제2 전극(2)을 적층할 때, 제2 전극(2)을 일시적으로 유지하기 위한 제2 부착 장치 또는 제2 이송 헤드(42)와 스택 테이블(10)이 마주보도록 스택 테이블(10)을 회전시킬 수 있다.
전극 조립체 제조장치(100)를 사용함에 있어서, 제1 분리막(4)의 적층부(4a) 및 폴딩부(4b)는 분리막 공급부(20)에 의해 공급되고 스택 테이블(10) 상에 배치되어 일부 배열로 거치될 수 있다. 회전부는 스택 테이블(10)을 좌측으로 회전시키면, 제1 분리막(4) 위로 제1 전극 공급부(30)에서 공급된 제1 전극(1)이 공급될 수 있다. 더욱이, 회전부는 스택 테이블(10)을 우측으로 회전시킬 수 있으며, 이 때 제1 분리막(4)이 공급됨과 동시에 이러한 회전이 일어날 수 있다. 이러한 회전부의 회전 구성에 있어서, 제1 분리막(4)은 적층물(S)의 제1 전극(1)의 하면, 우측면 및 상면을 덮는 좌측 포켓 형태의 제1 포켓을 형성할 수 있다. 여기서, 적층물(S)의 제1 전극(1)은 제1 전극(1)의 상면이 제1 분리막(4)의 일부분에 의해 덮일 수 있도록 스택 테이블(10) 위에 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 전극(2)은 제2 전극 공급부(40)로부터 제1 전극(1)의 상면을 덮은 제1 분리막(4) 부분에 공급될 수 있다.
상기와 같은 과정을 반복되면 제1 분리막(4)은 분리막 공급부(20)로부터 스택 테이블(10) 위에 좌측 포켓과 좌측 포켓과 대향되는 위치에 우측 포켓의 형태로 놓일 수 있다. 이러한 구성에서, 제1 분리막(4)의 각 부분이 스택 테이블(10) 위에 놓이도록 배치될 때 좌측 및 우측 포켓은 교대로 각각의 좌측 및 우측 개구를 형성하며, 여기서 이러한 좌측 및 우측 개구는 제1 전극 공급부(30) 및 제2 전극 공급부(40)에 의해 각각 공급되는 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)을 수용하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 분리막(4)이 접힐 때 접힌 부분의 형태일 수 있는 제1 분리막(4)의 폴딩부(4b)는 좌우 개구에 대면하는 위치에 제공될 수 있다(도 2 참조). 전극 조립체 제조장치(100)의 배열에 대한 거울 배열일 수 있는 몇몇 대안적인 배열에서, 제1 분리막(4)은 제2 전극(2)의 하부 표면, 좌측 표면 및 상부 표면을 덮는 우측 포켓 형태의 제1 포켓을 형성할 수 있다. 이러한 거울 배열에서, 제2 전극(2)은 스택 테이블(10) 위에 배치된 적층물(S)의 첫번째 전극일 수 있다.
스택 테이블(10)은 스택 테이블(10)의 형상을 결정하는 테이블 본체(미도시) 및 테이블 히터(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 테이블 히터는 예를 들어, 스택 테이블(10) 본체 위, 아래 또는 내부에 내장된 저항 코일일 수 있다. 테이블 히터는 테이블 본체를 가열하여 스택 테이블(10)에 안착된 적층물(S)을 가열할 수 있다.
테이블 히터는 전극 조립체 제조장치(100)의 프레스부(50)에 의해 적층물(S)이 가열 및 압축되기 전에 적층물(S)을 가열할 수 있다. 이러한 테이블 히터에 의한 적층물(S)의 예열은 적층물(S)의 중심으로 열이 전도되는 시간을 단축하여 프레스부(50)에 의한 충분한 가압에 필요한 가압 시간을 감소시킬 수 있다.
제1 전극(1)은 양극으로, 제2 전극(2)은 음극으로 구성될 수 있으나, 본 발명에 따른 전극 조립체 제조장치(100)는 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 제1 전극(1)은 음극으로 구성될 수 있고 제2 전극(2)은 양극으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 양극은 예를 들어, 양극 활물질, 전도성 물질 및 결합제를 포함하는 양극 코팅 혼합물로 양극 집전체를 코팅한 다음, 코팅 혼합물을 건조함으로써 제조될 수 있다. 필요한 경우 혼합물에 충전제를 첨가할 수 있다. 이러한 재료는 관련 분야에서 사용되는 임의의 적절한 재료, 특히 특정 응용 분야에 일반적으로 사용되는 재료일 수 있다.
구체적으로, 상기 양극 활물질은 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
양극 집전체에 사용할 수 있는 재료는 특별히 제한되지 않는다. 양극 집전체는 바람직하게는 전지에 사용될 때 화학적 변화를 일으키지 않고 비교적 높은 전도도를 갖는다. 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 양극 집전체는 알루미늄일 수 있다. 바람직하게는, 집전체의 코팅 혼합물과 접하는 표면에 미세한 요철을 포함함으로써, 집전체와 양극 코팅 혼합물 사이 접착력을 높일 수 있다. 또한, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 양극 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 양극 코팅 혼합물에 포함된 도전재는 일반적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량의 1 내지 50중량%로 포함될 수 있다. 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
양극 코팅 혼합물의 바인더는 활물질과 전도성 물질 사이 결합 및 코팅 혼합물을 집전체에 결합하는 것을 보조하는 성분이다. 이러한 바인더는 일반적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량의 1 내지 50 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
양극 코팅 혼합물에 임의로 첨가되는 충전제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로 사용될 수 있다. 이러한 충전재는 특별히 제한되지 않으며, 전지에 사용될 때 화학적 변화를 일으키지 않는 섬유상 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
일 실시상태에 있어서, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 압착하여 제조할 수 있으며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충전제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 이 경우에도 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
음극 집전체에 사용될 수 있는 재료는 특별히 제한되지 않는다. 음극 집전체는 전지에 사용될 때 화학적 변화를 일으키지 않고 비교적 높은 전도도를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분리막은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다. 상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 코팅층 성분이 도포된 구조일 수 있다.
이러한 SRS 분리막은 무기물 입자의 내열성으로 인해 고온 열수축이 발생하지 않는바, 침상 도체에 의해 전극조립체가 관통되더라도, 안전 분리막의 연신율을 유지할 수 있다.
이러한, SRS 분리막은 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 코팅층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 가질 수 있다. 상기 기공은 전극 조립체에 가해지는 외부의 충격을 상당히 완화 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기공을 통해 리튬 이온의 원활한 이동이 이루어지고, 다량의 전해액이 채워져 높은 함침율을 나타낼 수 있으므로, 전지의 성능 향상을 함께 도모할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분리막은 인접한 양극 및 음극들과 대응되는 가장자리를 넘어 양측에서 외측으로 연장(이하 “잉여부”)되도록 분리막의 폭 치수(분리막이 펼쳐진 길이 방향 치수에 직각)로 치수가 정해질 수 있다. 또한, 상기 분리막 잉여부의 양측부의 일면 또는 양면에 분리막 수축 방지를 위해 분리막의 두께보다 두꺼운 코팅층이 형성되어 있는 구조로 구성되어 있다. 분리막의 바깥쪽으로 연장된 잉여부의 두꺼운 코팅층에 대한 자세한 내용은 전체 내용이 여기에 참조로 포함되는 한국 공개특허공보 제10-2016-0054219호를 참조한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 분리막 잉여부는 각각 분리막의 폭을 기준으로 5% 내지 12%의 크기일 수 있다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코팅층은 일측의 분리막 잉여부의 폭을 기준으로 50% 내지 90%의 크기로 분리막 양면에 코팅될 수 있다. 또한, 상기 양면의 코팅층들의 폭은 서로 동일하거나 다른 크기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코팅층은 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리올레핀 계열 분리막 성분의 예로는 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 유도체 등이 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 상기 제1 전극 또는 제2 전극의 두께보다 작을 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 코팅층의 두께는 제1 전극 또는 제2 전극의 두께의 30% 내지 99% 크기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코팅층은 습식 코팅 또는 건식 코팅에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기재와 코팅층은 폴리올레핀 계열 분리막 기재 표면의 기공과 코팅층이 상호 엉켜있는 형태(anchoring)로 존재하여 분리막 기재와 활성층이 물리적으로 견고하게 결합할 수 있다. 상기 분리막의 기재와 활성층의 두께비는 9:1 내지 1:9일 수 있다. 바람직하게 두께 비율은 5:5일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 무기물 입자는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 무기물 입자가 사용될 수 있다. 상기 무기물 입자들은 서로 상호작용하여 무기물 입자들 사이에 빈 공간 형태의 미세 기공을 형성함과 동시에 코팅층의 물리적 형태를 구조적으로 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 상기 무기물 입자는 일반적으로 200℃ 이상의 고온이 되어도 물리적 특성이 변하지 않는 특성을 갖기 때문에, 형성된 유/무기 복합 다공성 필름이 탁월한 내열성을 갖게 된다.
또한, 무기물 입자에 사용될 수 있는 물질은 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 전기화학적으로 안정한 물질이다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상시킬 수 있다. 따라서, 가능한 이온 전도도가 높은 무기물 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅 시 무기물 입자의 분산이 어렵고, 전지 제조 시 전지의 무게를 증가시키는 문제점이 있다. 따라서, 가능한 밀도가 낮은 무기물 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자 및 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 압전성(piezoelectricity) 무기물 입자는 상압에서는 부도체이나, 일정 압력이 인가되었을 경우 내부 구조 변화에 의해 전기가 통하는 물성을 갖는 물질을 의미한다. 또한, 유전율 상수가 100 이상인 고유전율 특성을 나타내는 물질이다. 압전성을 갖는 무기물 입자는 또한 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 한 면은 양으로, 반대편은 음으로 각각 대전됨으로써, 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 기능을 갖는 물질(예를 들어, 분리막)이다.
상기와 같은 특징을 갖는 무기물 입자를 코팅층 성분으로 사용하는 경우, 침상 도체와 같은 외부 충격에 의해 양(兩) 전극의 내부 단락이 발생하는 경우 분리막에 코팅된 무기물 입자로 인해 양극과 음극이 직접 접촉하지 못할 수 있다. 또한, 무기물 입자의 압전성으로 인해 입자 내 전위차가 발생하게 되고 이로 인해 양(兩) 전극 간의 전자 이동(즉, 미세한 전류의 흐름)을 야기하여 완만한 전지의 전압 감소 및 이로 인한 안전성 향상을 도모할 수 있다.
상기 압전성을 갖는 무기물 입자의 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) 및 hafnia (HfO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 않고 대신 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 의미한다. 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있다. 그 결과, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0<x<4, 0<y<13), 리튬란탄티타네이트 (LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬게르마니움티오포스페이트 (LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드 (LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2(LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4) 계열 glass 및 P2S5 (LixPySz, 0<x<3, 0<y< 3, 0<z<7) 계열 glass로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 분리막의 코팅층을 구성하는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 조성비는 특별히 제한되지 않으나, 10:90 내지 99:1 중량% 범위 내에서 조절 가능하며, 80:20 내지 99:1 중량% 범위가 바람직하다. 상기 조성비가 10:90 중량% 비 미만인 경우, 고분자의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성된 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기될 수 있다. 한편, 99:1 중량% 비를 초과하는 경우, 고분자 함량이 너무 적기 때문에 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 최종 유/무기 복합 다공성 분리막의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바인더 고분자는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 바인더 고분자가 사용될 수 있다.
상기 유/무기 복합 다공성 분리막 중 코팅층은 전술한 무기물 입자 및 바인더 고분자 이외에, 통상적으로 알려진 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코팅층은 활성층이라고 할 수도 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 제1 분리막(4)은 제1 전극(1)과 제2 전극(2) 사이에 각각 위치하는 복수의 적층부(4a)와 인접한 적층부(4a)의 측면 사이에 연결되어 연장되는 폴딩부(4b)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 적층부(4a)의 측면은 적층물(S)의 적층 방향과 수직인 방향의 일측을 의미한다. 따라서, 적층부(4a)의 측면은 적층물(S)의 측면에 대응하는 위치이다.
적층물(S)에서 폴딩부(4b)는 적층체의 각 층의 측면에 교대로 위치될 수 있다. 인접한 적층부(4a) 및 인접한 적층부(4a)에 부착된 폴딩부(4b)는 제1 분리막(4)에 개구가 형성할 수 있다. 여기서, 폴딩부(4b)에 대향하는 적층물(S)의 측면은 제1 분리막(4)의 개구에 수용된 제1 및 제2 전극에 의해 정의될 수 있다. 이와 같이, 적층물(S)에는 적층물의 각 층에 대해 한 쌍의 대향 측면에 제1 분리막(4)에 의해 정의된 개구 및 폴딩부(4b)가 교대로 구비될 수 있다.
제1 전극(1) 및 제2 전극(2)은 폴딩부(4b) 내부 또는 상부에 배치되지 않을 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2 분리막(5)은 적층물(S)의 상면, 하면 및 적어도 한 쌍의 대향하는 측면에 위치될 수 있다. 즉, 도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 제2 분리막(5)의 단부는 제1 분리막(4)의 단부에 연결되고 적층물(S)에 적어도 한 번 감길 수 있다.
따라서, 적층물(S)의 한 쌍의 대향하는 측면에 위치하는 제2 분리막(5)의 내부 분리막 표면은 폴딩부(4b)와 마주할 수 있다. 또한, 적층물(S)의 적어도 한 쌍의 양 측면에 위치하는 제2 분리막(5)은 적어도 하나 이상의 폴딩부(4b)와 접할 수 있다.
전극 조립체(10)는 제2 분리막(5)이 적층체의 최외곽에 권취될 때 적층물(S)의 측면을 가열 또는 가열 압축하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(10)는 제2 분리막(5)을 감았을 때 적층물(S)의 양 측면을 한 쌍의 가압블록(60a, 60b)을 포함하는 사이드 실링부(60, 도 3 및 관련 설명 참조)에 의해 가열 또는 가열 압착되어 제조될 수 있다. 적층물(S)의 양면에 위치하는 폴딩부(4b)와 폴딩부(4b)와 마주보는 제2 분리막(5)의 내부 분리막 표면 사이에 형성되는 공간은 측부와 내부 분리막 표면 중 하나 이상을 열융착시켜 응축될 수 있다. 이러한 폴딩부(4b)와 제2 분리막(5)의 열융착은 적층물(S)의 최외곽에 제2 분리막(5)을 권취한 상태에서 사이드 실링부(60)로 적층물(S)의 대향하는 측면을 가열 압축함으로써 형성될 수 있다.
전극 조립체(10)는 적층물(S)의 최외곽에 제2 분리막(5)이 권취된 적층물(S)의 상면, 하면 및 양 측면 중 일부 또는 전부를 가열 압착하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(10)는 적층물(S)의 상면과 하면을 프레스부(50, 도 3 및 본 명세서의 관련 설명을 추가로 참조)로 가열 압축하고, 별도로 또는 동시에 사이드 실링부(60)를 이용해 적층물(S)의 양 측면을 가열 압축하여 전극 조립체(10)를 제조할 수 있다.
프레스부(50)는 한 쌍의 가압블록(50a, 50b)을 포함할 수 있다. 제1 전극(1), 제1 분리막(4) 및 제2 전극(2) 사이의 공간은 적층물(S)의 상하면을 제2 분리막(5)의 내부 분리막 면에 열융착하여 응축될 수 있다. 이와 같이, 제2 분리막(5)과의 상하면 열융착 결합은 제2 분리막(5)이 적층물(S)의 최외곽 영역에 감긴 상태에서 한 쌍의 가압블록(50a, 50b)로 적층물(S)을 가열 압축함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 적층물(S)의 상하면은 적층 방향의 상측 및 하측에 위치되는 적층물(S)의 외면을 의미한다.
따라서, 전극 조립체(10)의 일 실시예에서는, 제1 전극(1)과 제1 분리막(4), 제1 분리막(4)과 제2 전극(2)이 접합될 수 있다. 더욱이, 적층물(S)의 상하면이 가열 압축됨에 따라, 폴딩부(4b)가 압축되어 인접하는 폴딩부(4b)가 서로 열융착될 수 있다. 즉, 둘 이상의 폴딩부(4b)가 서로 접합될 수 있다. 그런 점에서, 도 1에 도시된 개략적인 표현과는 달리, 폴딩부(4b)는 도 5 및 도 6의 예에서 보는 바와 같이 전극(1, 2)의 단부를 지나 상대적으로 상당한 거리만큼 외측으로 연장될 수 있다. 이렇게 폴딩부(4b)는 사이드 실링부(60)와 프레스부(50)의 가열 압축의 어느 하나 또는 임의의 조합을 통해 서로 편향되어 접합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 분리막(4)의 2개 이상 접합된 폴딩부(4b)와 적층물(S)의 폴딩부(4b)와 대향되도록 위치된 제2 분리막(5)의 분리막 내면이 서로 접합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 폴딩부(4b)는 폴딩부(4b) 중 인접한 폴딩부(4b)가 서로 접합되지 않은 상태에서 제2 분리막(5)의 분리막 내면에 접합될 수 있다. 이 때, 폴딩부(4b)는 적층물(S)의 적층 방향과 평행한 방향으로 구부러지지 않고 접힌 상태로 제2 분리막(5)에 접합될 수 있거나, 폴딩부(4b)가 적층물(S)의 적층 방향과 평행한 어느 방향으로 1회 이상 절곡될 수 있다.
각각의 폴딩부(4b)의 길이는 각 폴딩부(4b)가 부착되는 적층부(4a)의 전체 길이의 100%를 기준으로 0.1% 내지 1% 범위일 수 있다. 이때, 폴딩부(4b)의 길이는 폴딩부(4b)가 구부러지지 않는 상태를 의미할 수 있다.
폴딩부(4b)의 길이가 폴딩부(4b)가 부착되는 적층부(4a)의 전체 길이의 1%를 초과하는 경우, 전극 조립체(10)의 전극 밀도 및 에너지 밀도가 감소될 수 있다. 여기서, 적층부(4a)의 전체 길이는 폴딩부(4b)로부터 폴딩부(4b) 반대편의 개구까지의 길이를 의미한다.
또한, 제2 분리막(5)의 분리막 내면에 접합되는 폴딩부(4b)의 수는 폴딩부(4b)의 전체 수의 30% 이상일 수 있다. 바람직하게는 폴딩부(4b)의 개수는 40% 이상, 보다 바람직하게는 50% 이상일 수 있다.
인접하는 복수의 폴딩부(4b)가 서로 접합된 상태로, 어느 폴딩부(4b)가 제2 분리막(5)의 분리막 내면에 접합될 수 있다. 제1 분리막(4)의 폴딩부(4b)와 인접하는 폴딩부(4b)가 접합될 때, 어느 폴딩부(4b)에 접합되는 제2 분리막(5)의 면적은 적층물(S)의 대향하는 한 쌍의 측면에 위치하는 제2 분리막(5)의 전체 면적의 30% 이상일 수 있다. 바람직하게는, 제2 분리막의 상기 면적은 40% 이상일 수 있고, 더 바람직하게는 50% 이상일 수 있다.
접합되는 폴딩부(4b)의 개수와 폴딩부(4b)와 제2 분리막(5)의 접합 면적이 상술한 30% 미만인 전극 조립체(10)에서 적층물(S)의 측면은 충분히 고정되지 않은 폴딩부(4b)를 가질 수 있다. 이 경우 전극 조립체(10)를 파우치나 캔에 넣기가 쉽지 않을 수 있다. 또한, 폴딩부(4b)의 접합 개수 및 제2 분리막(5)의 면적이 상술한 30%를 만족하는 전극 조립체(10)에 있어서, 폴딩부(4b)가 파우치의 밀봉된 부분으로부터 돌출될 수 있고, 전극 조립체(10)는 바람직하지 않게 파우치와 함께 밀봉될 수 있다.
더욱이, 파우치나 캔의 크기와 전극의 크기 차이가 커지기 때문에 파우치나 캔의 크기를 최소화하는데 한계가 있다.
일 실시예에 있어서, 인접한 폴딩부(4b)가 서로 접착될 때, 폴딩부(4b)의 총 수의 50% 이상이 서로 접착될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 폭은 적층물(S)의 폭보다 작게 제공될 수 있다. 다시 말해, 전극 조립체(10)는 폴딩부(4b)와 이러한 폴딩부(4b)의 층에 인접한 층에서 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 단부가 서로 중첩되거나 아래에 있지 않도록 위치될 수 있다. 이때, 제1 전극(1) 또는 제2 전극(2)은 인접 폴딩부(4b) 사이에 위치하지 않아 인접 폴딩부(4b)가 접착될 수 있다.
예를 들어, 전극 조립체(10)에 10개의 폴딩부(4b)가 포함되고 전체 폴딩부(4b) 개수의 50%가 서로 접착되는 경우, 전극 조립체(10)는 두 개가 서로 접착된 폴딩부(4b), 3 개가 서로 접착된 폴딩부(4b) 및 인접한 폴딩부(4b)와 접착되지 않은 폴딩부(4b) 5개가 포함될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전극 조립체 제조장치(100)의 예시와 같이, 분리막 공급부(20)는 제1 분리막(4)을 스택 테이블(10)에 공급하도록 구성될 수 있다. 이러한 분리막 공급부(20)에 대한 자세한 내용은 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0023853호를 참조한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 분리막 공급부(20)는 스택 테이블(10)의 상부에 위치될 수 있다. 또한, 분리막 공급부(20)는 제1 분리막(4)이 권취될 수 있는 분리막 롤(21)을 포함할 수 있다. 분리막 롤(21)에 감긴 제1 분리막(4)은 중력에 의해 서서히 풀리면서 스택 테이블(10)에 공급될 수 있다.
분리막 공급부(20)에는 제1 분리막(4)이 통과하는 통로가 형성된다. 분리막 공급부(20)는 통과하는 제1 분리막(4)을 가열하기 위해 분리막 가열부(미도시)를 포함할 수 있다. 이러한 분리박 가열부에 대한 자세한 내용은 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0023853호를 참조한다.
분리막 가열부는 한 쌍의 본체(미도시)와 본체를 가열하는 분리막 히터(미도시)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 본체는 제1 분리막(4)이 통과할 수 있도록 소정 간격 이격되어 제1 분리막(4)의 양측에 위치될 수 있다. 제1 분리막(4)은, 예를 들어, 제1 분리막(4)이 비접촉 방식으로 가열될 수 있도록 비접촉으로 분리막 가열부를 통과할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 분리막 가열부의 한 쌍의 본체는 예를 들어 직사각형 블록 형상으로 형성될 수 있다.
전극 조립체 제조장치(100)의 예시와 같이, 제1 전극 공급부(30)는 제1 전극(1)을 스택 테이블(10)에 공급하고, 제1 전극(1)을 스택 테이블(10)에 적층하도록 구성될 수 있다. 제1 전극 공급부(30)는 스택 테이블(10)에 적층되기 전에 제1 전극(1)이 안착되는 제1 전극 안착 테이블(31)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극 공급부(30)는 제1 전극 롤(33), 제1 커터(34), 제1 컨베이어(35) 및 제1 전극 공급 헤드(36)를 포함할 수 있다. 제1 전극 공급부(30)는 제1 전극(1) 중 어느 하나를 제1 전극 안착 테이블(31)에 공급하면서 제1 전극(1)이 형성된 제1 전극 시트를 제1 전극 롤(33)에 감아 서서히 풀어준다. 제1 커터(34)는 제1 전극 롤(33)로부터 공급되는 제1 전극 시트로부터 제1 전극(1)을 기설정된 길이로 절단할 수 있다. 제1 커터(34)는 제1 전극(1)의 단부로부터 제1 전극 탭(1a)이 돌출되도록 제1 전극 시트를 절단할 수 있다.
제1 커터(34)에 의해 절단된 제1 전극(1)은 제1 컨베이어(35)에 공급될 수 있고, 도시한 바와 같이 벨트 형태일 수 있는 제1 컨베이어(35)는 제1 전극(1)을 제1 전극 안착 테이블(31)로 이동시킬 수 있다. 제1 전극 공급 헤드(36)(예를 들어, 진공 피팅, 흡인 컵 또는 이와 유사한 피팅 또는 자기 부착물과 같은 기타 임시 부착 형식을 통해)은 제1 컨베이어(35)에 배치된 제1 전극(1)을 픽업하여 제1 전극 안착 테이블(31) 상에 위치시킬 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 전극 공급부(30)는 제1 이송 헤드(32) 및 제1 이송 헤드(32)가 연장되어 진동할 수 있는 제1 이동부(37)를 포함할 수 있다. 제1 이송 헤드(32)(예를 들어, 진공 피팅, 흡입 컵 또는 이와 유사한 피팅, 또는 자기 부착과 같은 기타 임시 형태의 부착을 통해)는 제1 전극 안착 테이블(31)에 안착된 제1 전극(1)을 픽업할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 이송 헤드(32)는 제1 전극(1)을 제1 이송 헤드(32)의 바닥면에 부착하기 위해 진공 흡입구를 통해 제1 전극(1)을 흡입하도록 구성될 수 있는 이송 헤드의 바닥 표면에 진공 흡입부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 제1 이송 헤드(32)에 형성된 유로는 진공 흡입구와 진공 흡입 장치(미도시)를 연결할 수 있다.
제1 이동부(37)는 제1 전극 안착 테이블(31)에 안착된 제1 전극(1)을 픽업하고, 제1 석션 헤드(32)가 해제될 수 있는, 예를 들어, 제1 전극(1)을 이송 헤드에 대해 유지하기 위해 제1 전극(1)에 가해지는 진공 흡입 또는 다른 힘을 감소 또는 제거함으로써, 스택 테이블(10) 위에 놓이는 위치로 제1 석션 헤드(32)를 이동하도록 구성할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 이송 헤드(32)는 제1 전극(1)을 제1 전극 안착 테이블(31)로부터 다른 전극(1, 2)을 통해 스택 테이블(10) 상에 놓이거나 그 위에 놓이는 제1 분리막(4)의 섹션으로 이송할 수 있다.
제2 전극 공급부(40)는 제1 전극 공급부(30)의 미러 구성을 가질 수 있거나 필수적으로 가질 수 있다. 이와 같이, 제2 전극 공급부(40)는 제2 전극(2)을 스택 테이블(10)에 안착된 적층물(S)의 일부에 공급하고, 스택 테이블(10) 상의 적층물(S)의 이러한 부분에 제2 전극(2)을 적층할 수 있다.
제2 전극 공급부(40)는 제2 전극(2)이 적층 테이블(10) 상의 적층물(S) 부분으로 이동되어 적층되기 전에 안착되는 제2 전극 안착 테이블(41)을 포함할 수 있다.
제2 전극 공급부(40)는 제2 전극(2)이 형성된 제2 전극 시트가 권취되는 제2 전극 롤(43), 제2 전극 시트를 일정한 간격으로 절단하여 제2 전극(2)을 형성하는 제2 커터(44)를 포함할 수 있다. 제2 전극 롤(43)에서 제2 전극 시트를 풀면서 일정 크기, 제2 커터(44)에 의해 절단된 제2 전극(2)을 이동시키는 제2 컨베이어(45), 제2 컨베이어(45)와 제2 전극(2)을 제2 전극 안착 테이블(41)에 안착시킨다.
제2 커터(44)는 제1 커터(34)와 마찬가지로, 형성된 제2 전극(2)이 제2 전극(2)의 단부로부터 돌출된 제2 전극 탭(2a)을 포함하도록 제2 전극 시트를 절단할 수 있다.
또한, 제2 전극 공급부(40)는 제2 전극 안착 테이블(41)에 안착된 제2 전극(2)을 픽업하는 제2 이송 헤드(42)와 예를 들어, 제2 전극(2)을 제2 이송 헤드(42)에 대해 유지하기 위해 제2 전극(2)에 가해지는 진공 흡입 또는 기타 힘을 감소 또는 제거함으로써 제2 이송 헤드(42)가 해제될 수 있는 스택 테이블(10) 상부로 이동하도록 구성된 제2 이동부(47)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 이송 헤드(42)는 제2 전극(2)을 스택 테이블(10) 상의 적층물(S)의 일부에 적층할 수 있다. 제2 이송 헤드(42)는 제2 이송 헤드(42)의 바닥면에서 제2 전극(2)이 제2 이송 헤드(42)에 임시로 부착될 수 있도록 제1 이송 헤드(32)와 동일한 방식으로 형성될 수 있다.
사이드 실링부(60)는 적층물(S)의 최외곽을 제1 분리막(4)으로 둘러싸면서 적층물(S)의 적어도 하나의 측면을 가열할 수 있다. 즉, 사이드 실링부(60)는 적층물(S)의 적어도 하나의 측면에 열을 가하여 제1 분리막(4)의 일면에 도포되고 전극(1, 2)을 향하는 코팅층 성분에 접착력을 부여하거나 증가시킬 수 있다.
사이드 실링부(60)의 가압 방향은 여기서 더 설명되는 프레스부(50)의 가압 방향에 수직일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 사이드 실링부(60)는 한 쌍의 가열바(60a, 60b)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 가열바(60a, 60b)는 서로를 향하거나 멀어지게 이동되어 적층물(S)을 측면에서 적층물의 중심을 향하는 방향으로 가열 및 압축할 수 있다. 즉, 사이드 실링부(60)는 적층물(S)의 측면에서 적층물(S)을 가열 압축할 수 있다.
적층물(S)의 측면은 적층물(S)의 접힌 부분(P)을 포함하는 면이다. 바람직하게는, 적층물의 측면은 전극 탭(1a)이 위치되는 전극(1, 2)의 동일한 측면에 위치하지 않는다.
적층물(S)은 하나 이상의 제1 전극(1), 제1 분리막(4) 및 제2 전극(2)이 순서대로 적층하고, 최외각을 제1 분리막(4)으로 감싸는 구조로 제공될 수 있다. 사이드 실링부(60)는 적층체(S)의 최외곽을 둘러싸는 제1 분리막(4)(이하, 최외곽 분리막)의 최외곽 부분을 가열 압축하여 적층체(S)의 측면 및 적층체(S)에 포함된 접힘부(P)를 가열 압축할 수 있다. 따라서, 사이드 실링부(60)는 적층체(S)의 측면을 가열 및 압축하여 적층체(S)에 포함된 복수의 접힘부(P)를 접착시키고, 최외각 제1 분리막(4)과 최외각 제1 분리막(4)과 대면하는 제1 분리막(4) 폴딩부, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)을 접착할 수 있다.
전극조립체 제조장치(100)는 가압부(50)를 더 포함할 수 있다. 가압부(50)는 적층물(S)의 압축을 위해 가열된다. 가압부(50)를 눌러 제1 전극(1), 제1 분리막(4) 및 제2 전극(2)을 접합할 수 있다.
가압부(50)는 적층물(S)의 상면과 하면에 인접하게 위치될 수 있는 한 쌍의 가압블록(50a, 50b)을 포함할 수 있다. 한 쌍의 가압블록(50a, 50b)은 서로를 향하는 방향으로 이동하여 적층물(S)의 상면과 하면을 압축한 후, 이러한 압축에 따라 서로 멀어지게 이동할 수 있다.
제1 분리막(4)이 적층물(S)의 외면을 감싸도록 구성되는 경우, 최외곽 제1 분리막(4)의 내면부와 제1 및 제2 전극(1, 2)의 측면부 및 제1 분리막(4)의 내면부와 대향하는 최외각 제1 분리막(4) 사이의 공간이 접착될 수 있다. 이러한 구성에서, 최외곽 제1 분리막(4)은 적층물(S)의 상면, 하면 및 적층물(S)을 둘러싸는 최외곽 제1 분리막(4)의 상면 및 하면 사이 대향되는 두 측면을 포함할 수 있다.
이에 따라, 제1 전극(1), 제1 분리막(4) 및 제2 전극(2)을 적층하여 전극 조립체(10)를 형성하는 경우, 프레스부(50)에 의해 제1, 2 전극(1, 2) 및 제1 분리막(4)의 위치가 이탈되며 적층 형태가 풀리는 것을 억제할 수 있다.
프레스부(50)은 한 쌍의 가압블록(50a, 50b)이 적층물을 압축하면서 적층물(S)을 가열할 수 있도록 한 쌍의 가압블록(50a, 50b)을 가열하는 프레스 히터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 프레스부(50)에 의해 적층물(S)을 압축할 때, 제1 전극(1)과 제1 전극(1)에 인접한 제1 분리막(4)의 구간 및 제2 전극(2)과 제2 전극(2)에 인접한 제1 분리막(4)의 구간 간의 열융착이 보다 잘 이루어질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 가압블럭(50a, 50b) 각각은 가압면의 길이 및 폭은 적층물(S)의 길이 및 폭 보다 더 길게 형성될 수 있고, 평탄한 가압면으로 형성될 수 있다.
그리고, 한 쌍의 가압블록(50a, 50b)은 직육면체 형태의 사각형 블록으로 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전극 조립체 제조장치(100)는 제3 이송 헤드(미도시)에 부착되고 회전 또는 달리 이동하도록 구성된 제3 이동부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제3 이동부 및 제3 이송 헤드는 각각 제1 및 제2 이동부(37, 47) 및 제1 및 제2 이송 헤드(32, 42)와 동일하거나 유사할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제3 이송 헤드는 스택 테이블(10)에 안착된 적층물(S)을 흡입할 수 있다. 제3 이송 헤드는 바닥면에 진공 흡입부를 구비하여, 진공 흡입구를 통해 적층물(S)을 흡입함으로써 제3 이송 헤드의 하면에 일시적으로 부착시킬 수 있다. 제3 이송 헤드는 진공 흡입구와 진공흡입 장치를 연결하는 통로가 형성될 수 있다.
제3 이동부는 스택 테이블(10)에 안착된 적층물(S)을 사이드 실링부(60)로 이동될 수 있도록 제3 이송 헤드를 사이드 실링부(60)로 예를 들어 변환 및 회전 중 하나 또는 둘 모두를 통해 이동시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제3 이송 헤드는 적층물이 프레스부(50)에 안착될 때, 상술한 방식으로 적층물(S)에 임시로 부착될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제3 이동부는 프레스부(50)에 안착된 적층물(S)이 사이드 실링부(60)로 이동 가능하도록 제3 이송 헤드를 사이드 실링부(60)로 이동하도록 구성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 전극 조립체 제조방법은 적층물을 제조하는 단계(S10)와 사이드 실링단계(S20)를 포함할 수 있다.
적층물을 제조하는 단계(S10)에서는, 제1 전극(예를 들어, 제1 전극(1)), 분리막(예를 들어, 제1 분리막(4)), 제2 전극(예를 들어, 제2 전극(2))을 스택 테이블(예를 들면, 스택 테이블 10)의 인프로세스 적층물에 공급하여 적층물을 제조할 수 있다.
적층물을 제조하는 단계(S10)의 단계(S11)에서 분리막의 일부가 스택 테이블로 공급된다. 일 실시예에 있어서, 분리막 부분은 클램프 또는 클램프 세트 또는 다른 클램핑 메커니즘과 같은 유지 메커니즘에 의해 스택 테이블에 장착되지만 이에 한정되는 것은 아니다. 단계 (S12)에서, 스택 테이블은 제1 전극 공급부, 예를 들어 제1 전극 공급부(30)를 향하는 방향으로 회전할 수 있다. 단계 (S13)에서, 제1 전극은 공급된 후, 스택 테이블에 장착되거나 그렇지 않으면 스택 테이블에 적층된 분리막 부분 상에 적층될 수 있다. 단계 (S14)에서, 스택 테이블은 제2 전극 공급부, 예를 들어 제2 전극 공급부(40) 방향으로 회전하여, 분리막의 추가 부분이 제1 전극 위로 접혀져 중첩될 수 있다. 단계 (S15)에서, 제2 전극은 공급된 후 분리막의 추가 부분에 적층될 수 있다. 단계 (S16)에서, 단계 (S12), (S13), (S14), (S15)를 반복하여 하나 이상의 제1 전극, 분리막 부분 및 하나 이상의 제2 전극을 순차적으로 추가할 수 있다. 상기 단계 (S12)을 반복함에 있어서, 분리막의 또 다른 부분은 스택 테이블의 회전을 통해 제2 전극 위로 접혀서 겹쳐지고 다음의 제1 전극이 공급되고 공급된 제1 전극은 분리막의 추가 부분 상에 적층될 수 있다. 스택 테이블의 교대 회전을 통해 분리막은 제1 전극과 제2 전극 사이에 지그재그 방식으로 적층될 수 있다.
아울러, 적층물을 제조하는 단계(S10)의 단계(S17)에서, 적층물의 최외곽은 분리막을 일방향으로 회전시킴으로써 분리막에 의해 둘러싸일 수 있다. 여기서, 적층물의 최외각부는 적층물의 상면, 하면 및 양측 대향 측면을 포함한다. 각각의 측면들은 적층물의 적층 방향에 평행한 평면으로 연장될 수 있다. 상기 각 측면은 전극 탭, 예를 들어, 전극 탭(1a)이 위치하는 모든 면을 제외할 수 있다. 적층물의 상면 및 하면은 각각 적층물의 측면 중 하나 또는 둘 모두에 수직한 면을 포함한다.
사이드 실링단계(S20)는 상기 적층물의 적어도 일 측면을 가열할 수 있다. 이러한 동작에서, 적층물의 반대쪽 측면 중 하나 또는 둘 다 가열 및 압축되어 적층물을 압축할 수 있다. 상기 단계에서, 상기 한 쌍의 가열바, 예를 들어, 가열바(60a, 60b)는 상기 가열바가 100°C 내지 200°C의 측면 실링온도에 있는 상태에서, 상기 적층물의 측면을 따라 10초 이하의 시간 동안 분리막을 가압할 수 있다.
사이드 실링 온도가 100°C 미만이면, 분리막에 도포된 바인더에 충분한 접착력이 발휘되지 못할 수 있으며, 사이드 실링 온도가 200°C를 초과하거나, 또는 가압 시간이 10초를 초과하는 경우에는 한 쌍의 가열바를 가열하기 위해 공급되는 에너지에 비해 접착 효과의 증가가 미미할 수 있다.
그리고, 사이드 실링단계(S20) 시, 상기 적층물의 적어도 일측면은 0.1 MPa 내지 1.5 MPa 범위의 압력으로 압축될 수 있다. 바람직하게는, 상기 하나 이상의 측면은 0.1 MPa 내지 1 MPa 범위의 압력으로 가압될 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.1 MPa 내지 0.5 MPa 범위의 압력으로 가압될 수 있다.
즉, 사이드 실링단계(S20)에서, 적층물의 양 측면을 동시에 가열하면서, 적층물의 양 측면을 측면에 수직한 방향으로, 그리고 적층물의 중심면을 향해 압축할 수 있다.
커버링된 적층물의 측면을 압축하는 압력이 상기 압력 범위를 만족하는 경우, 최외곽 분리막과 폴딩된 부분의 접촉 및 결합에 의해 제1 전극과 제2 전극의 손상을 방지하거나 적어도 억제할 수 있다.
전극 조립체 제조방법은 적층물을 히팅시키며 가압하는 단계(S30)를 더 포함할 수 있다. 상기 단계에서, 한 쌍의 가열 가압블록, 예를 들어, 한 쌍의 가압블록(50a, 50b)은 적층물의 측면에 일반적으로 평행한 적층물을 향하여 하측 방향 및 선택적으로 상측 방향으로 적층물을 압축할 수 있다. 상기 한 쌍의 가압 블록으로부터 전도되는 열로 인해 바인더와 바인더가 도포된 분리막 간의 접착력이 향상될 수 있으며, 분리막과 제1 및 제2 전극이 가압에 의해 더 결합될 수 있다.
도 7을 참조하면, 각 폴딩부(4b)는 적층물(S)의 적층 방향에 평행한 방향으로 1회 이상 절곡될 수 있다. 이와 같이, 제2 분리막(5)이 적층물(S)에 권취된 전극 조립체(10)에서 제1 전극(1)의 단부와 제2 분리막(5)의 제1 전극(1)의 단부를 향하는 제2 분리막(5)의 내부 분리막 표면 사이 거리 및 제2 전극(2)의 단부와 제2 분리막(5)의 내부 분리막 표면 중 제2 전극(2)의 단부를 향하는 부분 사이 거리가 감소되어 전극 조립체(10)의 전체 폭이 감소될 수 있다.
제1 전극(1) 또는 제2 전극(2)과 상기 전극 조립체(10)의 제1 전극(1) 또는 제2 전극(2)의 단부에 인접한 제2 분리막(5)의 내측 분리막 표면 부분 사이의 거리는 폴딩부(4b)의 전체 길이 100%를 기준으로, 50% 내지 95% 감소될 수 있다. 폴딩부(4b)의 전체 길이는 폴딩부(4b)가 비굴절 상태일 때 제1 전극(1) 또는 제2 전극(2)의 단부에서 제2 분리막(5)과 접촉하는 폴딩부(4b)의 단부까지의 거리이다.
폴딩부(4b)의 전체 길이에 비해 폴딩부(4b)의 길이가 50% 내지 95% 감소함에 따라, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)가 포함되지 않는 폴딩부(4b)의 일부가 감소하여 전극 조립체(10)의 전극 밀도 및 에너지 밀도를 높일 수 있다.
전극조립체(10)의 폴딩부(4b)와 폴딩부(4b)와 접착되는 제2 분리막(5)의 습식 접착력은 40 gf/25 mm 내지 70 gf/25 mm 범위일 수 있다.
실험예
전극 조립체에 포함된 적층물의 제2 분리막 역할을 하는 분리막의 측면 단부와 최외각부의 내측 분리막 표면 사이의 접착률 및 접착 면적에 따른 전지 특성을 측정하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
실시예
분리막을 지그재그 형태로 접고, 접힌 분리막의 단면 사이에 양극과 음극을 교대로 배치하고, 적층물의 최외곽을 분리막으로 둘러싸서 전극 조립체를 제조하였다. 이에 따른 전극 조립체는 가열된 프레스부를 이용하여 적층물의 상면 및 하면을 압축하여 적층물 전체를 접착하고, 가열된 사이드 실링부로 적층물의 양측 대향 측면을 압축하여 사이드 실링하였다.
실시예 1
실시예 1은 사이드 실링부를 이용하여 0.15 MPa의 압력으로 적층물을 압축하여, 분리막의 폴딩부가 폴딩부에 대향하는 적층물의 측면에 위치하는 분리막의 내측 분리막 표면의 전체 면적의 30%의 면적에 접합된 전극 조립체를 포함한다.
실시예 2
실시예 2는 사이드 실링부를 이용하여 0.25 MPa의 압력으로 적층물을 압축하여, 분리막의 측면부가 측면부에 대면하는 적층물의 측면에 위치하는 분리막의 내측 분리막 표면 전체 면적의 80% 면적에 접합된 전극 조립체를 포함한다.
비교예 1
비교예 1은 사이드 실링부를 이용하여 적층물을 0.05 MPa의 압력으로 압축한 전극 조립체를 포함한다.
비교예 2
비교예 2는 사이드 실링부를 이용하여 0.10 MPa의 압력으로 적층물을 압축하여, 분리막의 측면부가 측면부에 대면하는 적층물의 측면에 위치하는 분리막의 내측 분리막 표면 전체 면적의 20% 면적에 접합된 전극 조립체를 포함한다.
비교예 3
비교예 3은 사이드 실링부를 이용하여 0.30 MPa의 압력으로 적층물을 압축하여, 분리막의 측면부가 측면부에 대면하는 적층물의 측면에 위치하는 분리막의 내측 분리막 표면 전체 면적의 90% 면적에 접합된 전극 조립체를 포함한다.
| 프레스부 | 사이드 실링 | |||||
| 온도 (℃) |
압력 (Mpa) |
시간 (s) |
온도 (℃) |
압력 (Mpa) |
시간 (s) |
|
| 실시예 1 | 70 | 1.91 | 15 | 150 | 0.15 | 3 |
| 실시예 2 | 70 | 1.91 | 15 | 150 | 0.25 | 3 |
| 비교예 1 | 70 | 1.91 | 15 | 150 | 0.05 | 3 |
| 비교예 2 | 70 | 1.91 | 15 | 150 | 0.10 | 3 |
| 비교예 3 | 70 | 1.91 | 15 | 150 | 0.30 | 3 |
| 음극 손상 | 사이드 실링 정도 | 사이드 분리막 들뜸 | |
| 실시예 1 | 없음 | 좋음 | 들뜸 없음 |
| 실시예 2 | 없음 | 좋음 | 들뜸 없음 |
| 비교예 1 | 측정 불가 | ||
| 비교예 2 | 없음 | 나쁨 | 들뜸 없음 |
| 비교예 3 | 없음 | 좋음 | 들뜸 발생 |
상기 표 2는 전극 조립체의 음극에 대한 손상 측정 결과, 폴딩부와 폴딩부에 위치하는 분리막의 부분 사이의 접착 정도 및 전극 조립체 측면에 위치하는 분리막의 최외각부의 들뜸(리프팅) 정도를 나타낸 것이다.
이 때, 분리막의 폴딩부와 제2 분리막 역할을 하는 분리막의 최외곽부 사이의 접착 정도에 의해 사이드 실링의 정도가 육안으로 관찰되었다. 제2 또는 측면 분리막의 들뜸 정도는 제2 분리막이 전극 조립체의 상면 또는 하면으로 밀리는 것을 의미하며, 전극 조립체의 상면 및 하면에 위치하는 분리막의 일부가 전극에 밀착되지 않는 것을 의미한다.
표 2를 참조하면, 비교예 1은 사이드 실링부에 의해 인가되는 압력이 낮기 때문에 전극 조립체를 압축할 수 없어 음극에 대한 손상이나 사이드 실링의 정도 또는 제2 분리막의 들뜸 정도를 측정할 수 없었다.
비교예 2의 경우, 사이드 실링부가 전극 조립체의 측면을 압박하지만, 전극 조립체 측면에 위치한 제2 분리막이 저압으로 인해 폴딩부로 이동하지 않아 폴딩부와 제2 분리막의 접착력이 떨어지는 것을 알 수 있다.
비교예 3에서는 사이드 실링부에 의해 전극 조립체의 측면에 가해지는 압력이 컸음을 알 수 있다. 이와 같이 전극 조립체의 측면에 위치한 제2 분리막은 음극 위로 올라가고 음극은 전극 조립체의 상면 또는 하면에 위치한 분리막을 밀었다. 전극 조립체의 상면 또는 하면에 위치하는 분리막이 폴딩된 것을 육안으로 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
S: 적층물
1: 제1 전극
2: 제2 전극
4: 제1 분리막
4a: 적층부
4b: 폴딩부
5: 제2 분리막
100: 전극 조립체 제조장치
10: 스택 테이블
20: 분리막 공급부
21: 분리막 롤
22: 분리막 히팅부
30: 제1 전극 공급부
31: 제1 전극 안착 테이블
32: 제1 이송 헤드
33: 제1 전극 롤
34: 제1 커터
35: 제1 컨베이어
36: 제1 전극 공급 헤드
37: 제1 이동부
40: 제2 전극 공급부
41: 제2 전극 안착 테이블
42: 제2 이송 헤드
43: 제2 전극 롤
44: 제2 커터
45: 제2 컨베이어
46: 제2 전극 공급 헤드
47: 제2 이동부
50: 프레스부
50a, 50b: 한 쌍의 가압블럭
60: 사이드 실링부
60a, 60b: 가열블럭
1: 제1 전극
2: 제2 전극
4: 제1 분리막
4a: 적층부
4b: 폴딩부
5: 제2 분리막
100: 전극 조립체 제조장치
10: 스택 테이블
20: 분리막 공급부
21: 분리막 롤
22: 분리막 히팅부
30: 제1 전극 공급부
31: 제1 전극 안착 테이블
32: 제1 이송 헤드
33: 제1 전극 롤
34: 제1 커터
35: 제1 컨베이어
36: 제1 전극 공급 헤드
37: 제1 이동부
40: 제2 전극 공급부
41: 제2 전극 안착 테이블
42: 제2 이송 헤드
43: 제2 전극 롤
44: 제2 커터
45: 제2 컨베이어
46: 제2 전극 공급 헤드
47: 제2 이동부
50: 프레스부
50a, 50b: 한 쌍의 가압블럭
60: 사이드 실링부
60a, 60b: 가열블럭
Claims (17)
- 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 분리막의 단면을 포함하는 적층물을 제조하기 위한 전극 조립체 제조장치로서,
상기 적층물을 지지하는 스택 테이블;
상기 분리막의 일부를 상기 스택 테이블에 공급하는 분리막 공급부;
상기 스택 테이블에 지지된 상기 분리막 상에 상기 제1 전극을 적층하는 제1 전극 공급부;
상기 스택 테이블에 의해 지지된 상기 분리막 상에 상기 제2 전극을 적층하도록 구성된 제2 전극 공급부 및
상기 적층물의 적어도 하나의 측면을 가열하여 상기 분리막의 단면으로부터 분리된 부분 또는 상기 적층물의 측면을 덮는 별도의 분리막 중 어느 하나를 상기 적층물의 측면에 접합시키는 사이드 실링부
를 포함하는 전극 조립체 제조장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 사이드 실링부는 한 쌍의 가열바를 포함하고, 상기 한 쌍의 가열바는 상호 마주보는 방향으로 이동되며 상기 적층물의 측면을 가압하는 것인 전극 조립체 제조장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 적층물의 적층 방향과 평행한 방향으로 상기 적층물을 가압하는 프레스부를 더 포함하는 전극 조립체 제조장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 프레스부는 상기 적층물을 압축하면서 상기 적층물을 가열하는 것인 전극 조립체 제조장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 사이드 실링부는 상기 프레스부의 가압 방향과 수직한 방향으로 상기 적층물을 가압하는 것인 전극 조립체 제조장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 프레스부는 한 쌍의 가압블럭을 포함하고,
상기 한 쌍의 가압블럭은 상기 적층물을 가압하기 위해 상호 마주보는 방향으로 이동되는 것인 전극 조립체 제조장치. - 청구항 5에 있어서, 상기 한 쌍의 가압블럭은 각각 가압면을 포함하고,
상기 가압면은 상기 적층물과 대면하는 면과 접촉하고, 상기 가압면이 상기 적층물을 압축할 때, 상기 적층물과 마주보는 면은 평면으로 구비되는 것인 전극 조립체 제조장치. - 청구항 6에 있어서, 상기 프레스부는 한 쌍의 가압블럭을 가열하는 프레스 히터를 포함하는 것인 전극 조립체 제조장치.
- 청구항 6에 있어서, 상기 프레스부의 각 가압블록이 각각 평면의 가압면을 포함하고, 상기 가압블럭의 가압면은 적층물의 너비 및 길이보다 더 길게 구비되는 것인 전극 조립체 제조장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 전극 공급부는 상기 스택 테이블에 상기 제1 전극이 적층되기 전에 상기 제1 전극을 안착시키는 제1 전극 안착 테이블 및 상기 제1 전극을 임시 고정하고, 상기 제1 전극 안착 테이블에 임시 고정된 상태에서 상기 제1 전극을 상기 스택 테이블 상의 공정 중 상기 스택 테이블로 이송되도록 하는 제1 이송 헤드를 포함하고,
상기 제2 전극 공급부는 상기 스택 테이블에 상기 제2 전극이 적층되기 전에 상기 제2 전극을 안착시키는 제2 전극 안착 테이블 및 상기 제2 전극을 임시 고정하고, 상기 제2 전극 안착 테이블에 임시 고정된 상태에서 상기 제2 전극을 상기 스택 테이블 상의 공정 중 상기 스택 테이블로 이송되도록 하는 제2 이송 헤드를 포함하는 것인 전극 조립체 제조장치. - 청구항 10에 있어서, 상기 제1 이송 헤드 및 상기 제2 이송 헤드는 각각 상기 제1 전극 및 제2 전극을 임시 고정하기 위한 진공 장치를 포함하는 것인 전극 조립체 제조장치.
- 청구항 10에 있어서,
상기 스택 테이블을 회전시키는 회전부를 더 포함하고,
상기 제1 전극 공급부는 상기 회전부의 일측에 구비되고, 상기 제2 전극 공급부는 상기 회전부의 일측에 반대되는 타측에 구비되고,
상기 회전부는 상기 제1 전극이 적층될 때 상기 스택 테이블을 상기 제1 이송 헤드와 마주하도록 상기 스택 테이블을 상기 제1 측으로 회전시키고, 상기 제2 전극이 적층될 때 상기 제2 이송 헤드와 대향하도록 상기 스택 테이블을 제2 측으로 회전시키는 것인 전극 조립체 제조장치. - 청구항 12에 있어서, 상기 회전부는 상기 스택 테이블을 상기 제1 전극 공급부 방향과 상기 제2 전극 공급부 방향으로 교대로 회전시키는 것인 전극 조립체 제조장치.
- 적층물을 제조하는 전극 조립체 제조방법에 있어서,
제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 공급 및 적층하여 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 분리막이 배치된 상태로 상기 제1 전극 및 제2 전극의 상기 적층물을 제조하는 단계 및
상기 적층물의 적어도 일측면을 가열하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 상기 분리막과 접합시키는 단계
를 포함하는 전극 조립체 제조방법. - 청구항 14에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 상기 분리막과 접합시키는 단계는 100℃ 내지 200℃의 온도에서 10초 이하의 시간 동안 상기 적층물의 적어도 하나의 측면을 가압하는 것인 전극 조립체 제조방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 적층물이 적층된 방향으로 상기 적층물을 가열 및 가압하는 단계를 더 포함하는 전극 조립체 제조방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 상기 분리막과 접합시키는 단계는 상기 적층물의 적어도 하나의 측면을 0.1 내지 1.5MPa의 압력으로 압축하는 것인 전극 조립체 제조방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020230116147A KR20230129359A (ko) | 2021-07-09 | 2023-09-01 | 전극 조립체, 전극 조립체 제조장치 및 제조방법 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
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| KR101587322B1 (ko) * | 2013-08-05 | 2016-01-20 | 주식회사 엘지화학 | 전극조립체용 사행보정장치 |
| KR101995038B1 (ko) * | 2015-09-30 | 2019-07-01 | 주식회사 엘지화학 | 부착 방식의 유닛셀을 포함하는 하이브리드 전극조립체 |
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| KR102265219B1 (ko) * | 2017-02-08 | 2021-06-16 | (주)엘지에너지솔루션 | 분리막 잉여부를 접합시키는 전지셀 제조방법 |
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2023
- 2023-09-01 KR KR1020230116147A patent/KR20230129359A/ko active Application Filing
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|---|---|---|---|---|
| KR101587322B1 (ko) * | 2013-08-05 | 2016-01-20 | 주식회사 엘지화학 | 전극조립체용 사행보정장치 |
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| KR20200023853A (ko) * | 2018-08-27 | 2020-03-06 | 주식회사 엘지화학 | 전극 조립체 제조장치 |
| KR20200023854A (ko) | 2018-08-27 | 2020-03-06 | 주식회사 엘지화학 | 전극 조립체 제조장치 |
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