KR20240016474A - 전극 조립체용 권심장치 - Google Patents

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 전극 조립체용 권심장치를 개시한다. 본 발명의 전극 조립체용 권심장치에서 제1권심부(110)는, 상기 제1권심부(110)에 형성되는 제1구속부(112); 상기 제1권심부(110)에서 상기 제1구속부(112)의 길이방향 일측에 배치되고, 상기 제1구속부(112)보다 함몰되게 형성되는 제1결합홈부(113); 및 상기 제1권심부(110)에서 상기 제1구속부(112)의 길이방향 타측에 배치되고, 상기 제1구속부(112)보다 돌출되게 형성되는 제1결합돌기부(116);를 포함하고, 제2권심부(120)는, 상기 제1구속부(112)에 대향되고, 상기 제1구속부(112)와 함께 상기 전극 적층체(10)를 구속하는 제2구속부(122); 상기 제2권심부(120)에서 상기 제2구속부(122)의 길이방향 일측에 배치되고, 상기 제1결합홈부(113)에 맞물리게 형성되는 제2결합돌기부(126); 및 상기 제2권심부(120)에서 상기 제2구속부(122)의 길이방향 타측에 배치되고, 상기 제1결합돌기부(116)에 맞물리게 형성되는 제2결합홈부(123);를 포함한다.

Description

전극 조립체용 권심장치{WINDING DEVICE FOR ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 전극 적층체의 권취시 권심체가 들뜨거나 벌어지는 것을 방지하고, 전극 조립체의 코어부에서 권심체를 빼낼 때에 분리막이 손상되는 것을 방지할 수 있는 전극 조립체용 권심장치에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전 지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이 보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및 /또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 이차 전지 셀의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리 셀이 알려져 있다. 원통형 배터리 셀의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 상기 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다.
상기 전극 조립체는 긴 시트형의 양극, 분리막 및 음극을 적층하여 전극 적층체를 형성하고, 전극 적층체를 권심체로 권취하여 젤리-롤 형태로 권취함에 따라 제조된다. 권심체는 분리막이 끼워지도록 2개의 권심편이 서로 겹쳐진 형태를 갖는다.
대한민국 공개특허공보 제2021-0118620호(2021. 10. 01 공개)에는 전극 조립체 권취 장치 및 전극 조립체 권취 방법이 개시되어 있다. 상기 전극 조립체 권취 장치의 권심체는 반원 형태의 단면을 갖는 한 쌍의 권심편이 서로 겹쳐진 구조를 갖는다. 한 쌍의 권심편 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 권심체를 회전시키면, 권심체의 외측면에 양극, 분리막 및 음극이 적층된 전극 적층체가 젤리롤 형태로 권취된다.
이러한 권심체는 반원 형태의 단면을 갖는 권심편으로 구성되므로, 한 쌍의 권심편이 비틀림 모멘트에 의해 권심체의 직경방향 반대측으로 밀려 들뜨거나 벌어지는 현상이 발생될 수 있다. 한 쌍의 권심편이 들뜨거나 벌어지는 경우, 젤리롤 형태의 전극 조립체가 찌그러져 그 반경이 불균일하게 권취되거나 외주면의 특정 부분이 볼록하거나 오목하게 권취될 수 있다.
또한, 상기 권심체가 들뜨거나 벌어지는 경우, 전극 조립체의 코어부에서 권심편이 하나씩 빠질 때에 코어부 근처의 분리막이 걸리거나 손상될 수 있다. 나아가, 분리막이 전극으로부터 분리되거나 이탈되는 경우, 후속공정이나 이차전지의 사용중에 전극이 전해액과 화학적으로 반응하게 되어, 이차전지가 과도하게 발열되거나 화재가 발생될 수 있다.
또한, 권심체에서 분리막의 구속력을 증가시키기 위해 한 쌍의 권심편에서 분리막이 구속되는 부분을 계단 형태나 서로 맞물린 형태로 형성하는 경우가 있다. 이러한 권심체에서는 분리막의 코어측 부분이 계단 형태나 맞물린 구조에 의해 자국이 생기거나 파손될 수 있다. 또한, 권심체가 전극 조립체를 제조한 다음 권심편를 하나씩 전극 조립체의 코어부에서 빼낼 때에 상기 계단 형태나 맞물린 구조에 의해 분리막이 손상되거나 찢어질 수도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 권심체가 전극 적층체를 권취할 때에 제1권심부와 제2권심부에 비틀림 모멘트가 작용하더라도 이를 상쇄시킬 수 있는 전극 조립체용 권심장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 제1권심부와 제2권심부가 권심체의 직경방향 반대측으로 밀려 들뜨거나 벌어지는 현상을 방지할 수 있는 전극 조립체용 권심장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전극 조립체가 전체적으로 일정한 직경을 갖는 원통형으로 권취될 수 있는 전극 조립체용 권심장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 분리막의 코어부 측 부분이 가압되어 변형되거나 자국이 생기는 것을 방지할 수 있는 전극 조립체용 권심장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전극 적층체의 폭방향 양측에 가해지는 장력이 거의 동일해질 수 있는 전극 조립체용 권심장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전극 적층체가 권심체에 틀어지거나 사행된 상태로 권취되는 것을 방지할 수 있는 전극 조립체용 권심장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 코어부 근처의 분리막 부분이 결합돌기부에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있는 전극 조립체용 권심장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전극 조립체의 코어부에서 권심체를 빼낼 때에 분리막이 손상되는 것을 방지할 수 있는 전극 조립체용 권심장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 전극 조립체용 권심장치는, 제1권심부; 및 상기 제1권심부에 겹쳐지고, 상기 제1권심부와 함께 회전되면서 전극 적층체를 권취하는 제2권심부;를 포함한다.
상기 제1권심부는, 상기 제1권심부에 형성되는 제1구속부; 상기 제1권심부에서 상기 제1구속부의 길이방향 일측에 배치되고, 상기 제1구속부보다 함몰되게 형성되는 제1결합홈부; 및 상기 제1권심부에서 상기 제1구속부의 길이방향 타측에 배치되고, 상기 제1구속부보다 돌출되게 형성되는 제1결합돌기부;를 포함한다.
상기 제2권심부는, 상기 제1구속부에 대향되고, 상기 제1구속부와 함께 상기 전극 적층체를 구속하는 제2구속부; 상기 제2권심부에서 상기 제2구속부의 길이방향 일측에 배치되고, 상기 제1결합홈부에 맞물리게 형성되는 제2결합돌기부; 및 상기 제2권심부에서 상기 제2구속부의 길이방향 타측에 배치되고, 상기 제1결합돌기부에 맞물리게 형성되는 제2결합홈부;를 포함한다.
상기 제1결합돌기부는 상기 제2결합돌기부와 반대방향으로 돌출될 수 있다.
상기 제1결합홈부는 상기 제2결합홈부와 반대방향으로 함몰될 수 있다.
상기 제1결합돌기부는 상기 제1구속부와 수직하게 돌출되고, 상기 제2결합돌기부는 상기 제2구속부와 수직하게 돌출될 수 있다.
상기 제1결합돌기부는 상기 제1구속부 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제1테이퍼부를 포함할 수 있다.
상기 제2결합홈부는 상기 제2구속부에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 제2테이퍼홈부를 포함할 수 있다.
상기 제2결합돌기부는 상기 제2구속부 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제2테이퍼부를 포함할 수 있다.
상기 제1결합홈부는 상기 제1구속부에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 제1테이퍼홈부를 포함할 수 있다.
상기 제1구속부와 상기 제2구속부는 상기 전극 적층체의 분리막의 폭보다 길게 형성될 수 있다.
상기 제1구속부와 상기 제2구속부는 평면 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1결합돌기부의 단면은 반원 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1결합돌기부는 상기 제1권심부의 회전중심과 동심을 이룰 수 있다.
상기 제2결합돌기부의 단면은 반원 형태로 형성될 수 있다.
상기 제2결합돌기부는 상기 제2권심부의 회전중심과 동심을 이룰 수 있다.
상기 제1결합돌기부의 단면은 사각 형태로 형성될 수 있다.
상기 제2결합돌기부의 단면은 사각 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1권심부와 상기 제2권심부는 서로 겹쳐져 원형 봉 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 전극 조립체용 권심장치는, 제1권심부; 및 전극 적층체를 구속하도록 상기 제1권심부에 겹쳐지고, 상기 제1권심부와 함께 회전되면서 전극 적층체를 권취하는 제2권심부;를 포함한다.
상기 제1권심부는, 상기 제1권심부의 길이방향 일측에 상기 전극 적층체를 회피하도록 형성되는 제1결합홈부; 및 상기 제1권심부의 길이방향 타측에 상기 전극 적층체를 회피하도록 형성되는 제1결합돌기부;를 포함할 수 있다.
상기 제2권심부는, 상기 제2권심부의 길이방향 일측에 상기 제1결합홈부에 맞물리게 형성되는 제2결합돌기부; 및 상기 제2권심부의 길이방향 타측에 상기 제1결합돌기부에 맞물리게 형성되는 제2결합홈부;를 포함할 수 있다.
상기 제1결합돌기부는 상기 제2결합돌기부와 반대방향으로 돌출되고, 상기 제1결합홈부는 상기 제2결합홈부와 반대방향으로 함몰될 수 있다.
상기 제1구속부와 상기 제2구속부는 평면 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1결합돌기부는 상기 제1구속부와 수직하게 돌출되고, 상기 제2결합돌기부는 상기 제2구속부와 수직하게 돌출될 수 있다.
상기 제1결합돌기부는 상기 제1구속부 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제1테이퍼부를 포함하고, 상기 제2결합홈부는 상기 제1테이퍼부가 맞물리는 제2테이퍼홈부를 포함할 수 있다.
상기 제2결합돌기부는 상기 제2구속부 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제2테이퍼부를 포함하고, 상기 제1결합홈부는 상기 제2테이퍼부가 맞물리는 제1테이퍼홈부를 포함할 수 있다.
상기 제1결합돌기부의 단면은 반원 또는 사각 형태로 형성되고, 상기 제2결합돌기부의 단면은 상기 제1결합돌기부와 동일한 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1결합돌기부의 단면은 반원 또는 사각 형태로 형성되고, 상기 제2결합돌기부의 단면은 반원 형태 및 사각 형태 중 상기 제1결합돌기부와 다른 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 제1권심부와 제2권심부의 길이방향 양측이 제1결합돌기부와 제1결합홈부 및 제2결합돌기부와 제2결합홈부에 의해 권심체의 원주방향으로 구속되므로, 권심체가 전극 적층체를 권취할 때에 제1권심부와 제2권심부에 비틀림 모멘트가 작용하더라도 이를 상쇄시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 제1권심부와 제2권심부가 권심체의 직경방향 반대측으로 밀려 들뜨거나 벌어지는 현상을 방지할 수 있으므로, 전극 조립체가 전체적으로 일정한 직경을 갖는 원통형으로 권취될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극 적층체의 분리막이 제1결합돌기부와 제2결합돌기부를 회피하여 제1구속부와 제2구속부 사이에 구속되므로, 분리막의 코어부 측 부분이 제1결합돌기부과 제1결합홈부 사이 또는 제2결합돌기부와 제2결합홈부 사이에 가압되어 변형되거나 자국이 생기는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 권심체의 길이방향 양측에서 제1결합돌기부와 제2결합돌기부가 권심체의 직경방향으로 서로 반대로 돌출되므로, 권심체의 길이방향 양측에 가해지는 비틀림 모멘트가 서로 반대방향으로 작용하면서 상쇄될 수 있다.
본 발명에 의하면, 권심체의 길이방향 양측에 가해지는 비틀림 모멘트가 서로 반대방향으로 작용하면서 상쇄되므로, 전극 적층체의 폭방향 양측에 가해지는 장력이 거의 동일해진다. 이에 따라, 전극 적층체가 권심체에 틀어지거나 사행된 상태로 권취되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 권심부가 코어부에서 빠질 때에 테이퍼부가 코어부 근처의 분리막 부분을 부드럽게 밀어 올리면서 빠지므로, 코어부 근처의 분리막 부분이 결합돌기부에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극 적층체를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 전극 적층체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극 적층체용 권심장치에서 권심체의 제1실시예를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 전극 적층체용 권심장치의 권심체를 길이방향으로 절단한 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 권심체에서 A-A',B-B',C-C'를 절단한 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 3의 전극 적층체용 권심장치의 권심체에 전극 조립체가 권취된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 전극 조립체의 코어부에서 제2권심부가 빠지는 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 도 6의 전극 조립체의 코어부에서 제2권심부가 완전히 빠진 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 도 8의 전극 조립체의 코어부에서 제1권심부가 빠질 때에 제1권심부의 제1결합돌기부가 분리막을 밀어올리는 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 전극 적층체용 권심장치에서 권심체의 제2실시예를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 전극 적층체용 권심장치의 권심체에서 제1결합돌기부와 제2결합홈부, 제1구속부와 제2구속부, 제2결합돌기부와 제1결합홈부를 각각 절단한 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는. 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체용 권심장치에 관해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극 적층체를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 전극 적층체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극 적층체(10)는 긴 시트 형태의 제1전극(11), 제2전극(12) 및 분리막(13)을 포함한다.
전극 적층체(10)는 긴 시트 형태의 제1전극(11)과 제2전극(12) 사이에 분리막(13)이 적층되어 이루어진다. 예들 들면, 전극 적층체(10)는 하나의 제1전극(11), 하나의 제2전극(12) 및 2개의 분리막(13)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 전극 적층체(10)는 2개 이상의 제1전극(11), 2개 이상의 제2전극(12) 및 3개 이상의 분리막(13)이 적층되어 이루어질 수도 있다. 이러한 전극 적층체(10)에서 제1전극(11), 제2전극(12) 및 분리막(13)이 적층되는 개수가 증가할수록 원하는 직경의 전극 조립체(20)의 권취 시간 및 제조 시간이 단축될 수 있다.
제1전극(11)와 제2전극(12)은 활물질이 코팅되는 유지부(14)와, 활물질이 코팅되지 않는 무지부(15)를 각각 포함한다. 무지부(15)는 제1전극(11)과 제2전극(12)의 폭방향 일측에 형성될 수 있다. 무지부(15)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극탭으로 사용될 수 있다. 전극 조립체(20)가 원통형으로 권취되는 경우, 제1전극(11)의 무지부(15)는 축방향 일측(도 1의 상측 또는 하측)에 배치되고, 제2전극(12)의 무지부(15)는 축방향 타측에 배치될 수 있다.
제1전극(11)의 무지부(15)와 제2전극(12)의 무지부(15)는 동일한 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 제1전극(11)의 무지부(15)와 제2전극(12)의 무지부(15)는 서로 다른 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
제1전극(11)은 음극 활물질이 코팅된 음극시트이고, 제2전극(12)은 양극 활물질이 코팅된 양극시트일 수 있다. 제1전극(11)은 양극 활물질이 코팅된 양극시트이고, 제2전극(12)은 음극 활물질이 코팅된 음극시트일 수 있음은 물론이다.
제1전극(11)과 제2전극(12)은 금속 포일로 이루어진 집전체와 활물질층을 포함한다. 금속 포일은 알루미늄 또는 구리일 수 있다. 활물질층은 제1전극(11)과 제2전극(12)의 일면 또는 양면에 코팅될 수 있다.
무지부(15)의 폭은 유지부(14)의 폭에 비해 현저히 좁게 형성된다. 무지부(15)는 폭이 좁은 밴드형태로 형성될 수 있다. 또한, 무지부(15)는 무지부(15)의 길이방향을 따라 이격되어 톱니 형태로 형성되는 복수의 분절편으로 이루어질 수도 있다. 분절편은 그 형상이 사각형, 삼각형, 반원형, 반타원형, 평행사변형 등으로 변경될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1전극(11)에 코팅되는 양극 활물질과 제2전극(12)에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물 또는 1종 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물(LiMnO2); 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 니켈사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 할 수 있다. 양극 활물질로는 상기와 같은 종류들이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 양극 집전체는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 양극 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 전극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 이러한 전극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질 입자에는 도전재가 추가로 혼합될 수 있다. 이러한 도전재는 예컨대 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
또한, 음극시트는 음극 집전체 상에 음극 활물질 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 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 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양 한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은 예컨대 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)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 전극(11,12)에 사용 가능한 바인더 고분자는 전극 활물질 입자와 도전재 등의 결합과 전극 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예를 들어 전극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더 고분자의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan) 및 카르복실메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 제조에 사용되는 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테 트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이러한 용매들은 전극 집전체 표면에 대해 소망하는 수준으로 슬러리 도포 층이 만들어질 수 있도록 적정한 수준의 점도를 제공한다.
분리막(13)은 다공성 고분자 기재와, 상기 다공성 고분자 기재의 양면 상에 위치하고, 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 가진다.
상기 다공성 고분자 기재는 폴리올레핀계 다공성 기재일 수 있다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 필름(film) 또는 부직웹(non-woven web) 형태일 수 있다. 이와 같이 다공성 구조를 가짐으로써 양극과 음극 간의 전해액 이동이 원활하게 이루어질 수 있게 된다. 다공성 구조는 기재 자체의 전해액 함침성도 증가하게 되어 우수한 이온 전도성이 확보될 수 있으며, 전기화학소자 내부의 저항증가가 방지 되어 전기화학소자의 성능저하가 방지될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 폴리올레핀 다공성 기재는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 평면상의 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다.
폴리올레핀 다공성 기재는 비제한적으로 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 도는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 필름(film) 혹은 부직웹(non-woven web)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 8 내지 30 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐 기계적인 물성이나 전지의 고효율 충방전 특성을 고려하여 상기 범위를 벗어난 두께도 채택가능하다.
본 발명에 따른 분리막(13)은 1 내지 100㎛ 또는 5 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다. 분리막(13)의 두께가 1㎛ 미만이면 분리막(13)의 기능이 충분히 발휘되지 못하고 기계적 특성의 열화가 발생할 수 있다. 분리막(13)의 두께가 100㎛ 초과이면 고율 충방전시 전지의 특성이 열화될 수 있다. 또한, 40 ~ 60% 공극률을 가질 수 있으며, 150 내지 300 초/100mL의 통기도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분리막(13)을 사용하는 경우, 다공성 고분자 기재의 양측에 다공성 코팅층을 구비하고 있으므로, 전해액에 대한 함침 성능 향상으로 균일한 고체전해질계면층을 형성할 수 있고, 종래의 단면 무기물 코팅 분리막(13)과 대비하여 우위의 통기도를 확보할 수 있다. 예를 들어 120s/100cc 이내일 수 있다. 또 한, 양면에 무기물 다공성 코팅층을 구비하여도 종래 단면 무기물 코팅 분리막(13) 수준의 두께를 구현할 수 있다. 예를 들어 ~15.0㎛ 이내일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막(13)을 사용하는 경우, 분리막(13)의 안정 성이 개선되어 내열 및 내압축 특성을 확보할 수 있다. 구체적으로 180
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기준 5% 이내의 열수축 특성을 갖는 내열 특성을 확보할 수 있고, 550gf 이상의 관통 강도(Puncture strength) 물성을 확보할 수 있으며, 이러한 분리막(13)을 채용한 전지의 사이클 중 코어 변형(core deformation) 발생 시 단차부에서 분리막(13)의 손상 또는 관통이 방지될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전극 적층체용 권심장치에서 권심체의 제1실시예를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 전극 적층체용 권심장치의 권심체를 길이방향으로 절단한 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4의 권심체에서 A-A',B-B',C-C'를 절단한 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6은 도 3의 전극 적층체용 권심장치의 권심체에 전극 조립체가 권취된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 조립체용 권심장치(100)는 제1권심부(110) 및 제2권심부(120)를 포함한다. 상기 전극 적층체(10)는 권심체(101)에 권취되어 젤리롤(jellyroll) 형태의 전극 조립체(20)를 이룬다.
제1권심부(110)와 제2권심부(120)는 서로 겹쳐진 상태에서 전극 적층체(10)를 원통형으로 권취한다. 이때, 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 겹쳐짐에 따라 원형 봉 형태의 권심체(101)를 이룬다.
제1권심부(110)의 외주면에는 반원 형태의 제1가이드(111)가 형성되고, 제2권심부(120)의 외주면에도 반원 형태의 제2가이드(121)가 형성된다. 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 서로 겹쳐지면, 제1가이드(111)와 제2가이드(121)가 서로 맞대어짐에 따라 전체적으로 원형이 된다. 제1권심부(110)와 제2권심부(120)에서 제1가이드(111)와 제2가이드(121)의 우측 부분은 권심장치(100)의 구동부(미도시)에 결합되는 부분이다. 제1권심부(110)에 전극 적층체(10)의 코어측 분리막 부분(13a)이 안착된 후 제2권심부(120)가 제1권심부(110)에 겹쳐지면, 제1권심부(110)와 제2권심부(120) 사이에 코어측 분리막 부분(13a)이 구속된다. 이때, 제1권심부(110)와 제2권심부(120)는 그 길이방향과 나란하게 이동되면서 서로 겹쳐진다.
제1권심부(110)는 제1구속부(112), 제1결합홈부(113) 및 제1결합돌기부(116)를 포함한다.
제1구속부(112)는 제1권심부(110)에 형성된다. 제1구속부(112)는 제1결합홈부(113)와 제1결합돌기부(116) 사이에 배치된다. 제1구속부(112)에는 코어측 분리막 부분(13a)이 안착된다.
제1결합홈부(113)는 제1권심부(110)에서 제1구속부(112)의 길이방향 일측에 배치되고, 제1구속부(112)보다 함몰되게 형성된다. 제1결합홈부(113)는 제1권심부(110)의 일측 단부(좌측 단부)에서 제1구속부(112) 사이에 형성된다. 또한, 제1결합홈부(113)는 제1권심부(110)의 길이방향 일측에 전극 적층체(10)를 회피하도록 형성된다.
제1결합돌기부(116)는 제1권심부(110)에서 제1구속부(112)의 길이방향 타측에 배치되고, 제1구속부(112)보다 돌출되게 형성된다. 제1결합돌기부(116)는 제1구속부(112)와 제1권심부(110)의 타측 단부(우측 단부) 사이에 형성된다. 또한, 제1결합돌기부(116)는 제1권심부(110)의 길이방향 타측에 전극 적층체(10)를 회피하도록 형성된다.
제2권심부(120)는 제2구속부(122), 제2결합돌기부(126) 및 제2결합홈부(123)를 포함한다.
제2구속부(122)는 제1구속부(112)에 대향되고, 제1구속부(112)와 함께 전극 적층체(10)를 구속한다. 제2구속부(122)는 제1구속부(112)와 함께 코어측 분리막 부분(13a)을 압착하여 구속할 수 있다.
제2결합돌기부(126)는 제2권심부(120)에서 제2구속부(122)의 길이방향 일측에 배치되고, 제1결합홈부(113)에 맞물리게 형성된다. 제2결합돌기부(126)는 제1권심부(110)의 일측 단부(좌측 단부)에서 제2구속부(122) 사이에 형성된다. 제2결합돌기부(126)는 제2권심부(120)의 길이방향 일측에 전극 적층체(10)를 회피하도록 형성된다.
제2결합홈부(123)는 제2권심부(120)에서 제2구속부(122)의 길이방향 타측에 배치되고, 제1결합돌기부(116)에 맞물리게 형성된다. 제1결합홈부(113)는 제2구속부(122)와 제2권심부(120)의 타측 단부(우측 단부) 사이에 형성된다. 제2결합홈부(123)는 제2권심부(120)의 길이방향 타측에 전극 적층체(10)를 회피하도록 형성된다.
제1구속부(112)는 제2구속부(122)와 동일한 길이로 형성되고, 제1결합홈부(113)는 제2결합돌기부(126)와 동일한 길이로 형성되며, 제1결합돌기부(116)는 제2결합홈부(123)와 동일한 길이로 형성될 수 있다.
또한, 제1구속부(112)의 길이는 제1결합홈부(113)의 길이의 2.5-4.5배 정도의 길이로 형성되고, 제1결합돌기부(116)의 길이는 제1결합홈부(113)의 길이의 1.5-3.5배 정도의 길이로 형성될 수 있다. 제2구속부(122)의 길이는 제2결합홈부(123)의 길이의 2.5-4.5배 정도의 길이로 형성되고, 제2결합돌기부(126)의 길이는 제2결합홈부(123)의 길이의 1.5-3.5배 정도의 길이로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 서로 겹쳐졌을 때에, 권심체(101)의 일측에는 제1결합돌기부(116)와 제2결합홈부(123)가 서로 맞물리고, 권심체(101)의 타측에는 제2결합돌기부(126)와 제1결합홈부(113)가 서로 맞물리게 된다. 이에 따라, 제1권심부(110)와 제2권심부(120)의 길이방향 양측이 제1결합돌기부(116)와 제1결합홈부(113) 및 제2결합돌기부(126)와 제2결합홈부(123)에 의해 권심체(101)의 원주방향으로 구속되므로, 권심체(101)가 전극 적층체(10)를 권취할 때에 제1권심부(110)와 제2권심부(120)에 비틀림 모멘트가 작용하더라도 이를 상쇄시킬 수 있다. 나아가, 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 권심체(101)의 직경방향 반대측으로 밀려 들뜨거나 벌어지는 현상을 방지할 수 있으므로, 전극 조립체(20)가 전체적으로 일정한 직경을 갖는 원통형으로 권취될 수 있다.
제1구속부(112)와 제2구속부(122)는 전극 적층체(10)의 분리막(13)의 폭보다 길게 형성될 수 있다. 이에 따라, 전극 적층체(10)의 분리막(13)이 제1결합돌기부(116)와 제2결합돌기부(126)를 회피하여 제1구속부(112)와 제2구속부(122) 사이에 구속될 수 있다. 또한, 분리막(13)의 코어부 측 부분(13a)이 제1결합돌기부(116)과 제1결합홈부(113) 사이 또는 제2결합돌기부(126)와 제2결합홈부(123) 사이에 가압되어 변형되거나 자국이 생기는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 코어부(21)에서 하나씩 빠질 때에 제1결합돌기부(116)나 제2결합돌기부(126)가 코어부 근처의 분리막 부분(13a)에 걸리거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.
제1구속부(112)와 제2구속부(122)는 평면 형태로 형성될 수 있다. 제1구속부(112)의 폭과 제2구속부(122)의 폭은 동일하게 형성될 수 있다. 제1구속부(112)는 제1평탄면부를 구성하고, 제2구속부(122)는 제2평판면부를 구성한다. 이에 따라, 분리막(13)의 코어부(21) 측 부분이 제1구속부(112)와 제2구속부(122)에 의해 가압되어 구속되더라도 자국이나 주름이 생기는 것을 방지할 수 있다. 분리막(13)의 코어부(21) 측 부분이 손상되는 것을 방지할 수 있으므로, 전극 조립체(20)의 코어부(21) 근처에서 분리막(13)이 전극(11,12)과 분리되거나 들뜨는 것을 방지하여 화재 위험성을 낮출 수 있다.
또한, 제1구속부(112)와 제2구속부(122)는 곡면 형태로 형성될 수 있다. 예들 들면, 제1구속부(112)는 볼록한 곡면 형태로 형성되고, 제2구속부(122)는 오목한 곡면 형태로 형성될 수 있다. 이러한 제1구속부(112)와 제2구속부(122)는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
제1결합돌기부(116)는 제2결합돌기부(126)와 반대방향으로 돌출된다. 이때, 제1결합홈부(113)는 제2결합홈부(123)와 반대방향으로 함몰된다. 즉, 권심체(101)의 길이방향 양측에서 제1결합돌기부(116)와 제2결합돌기부(126)가 권심체(101)의 직경방향으로 서로 반대로 돌출된다. 상기 권심체(101)가 구동부에 의해 회전되면서 전극 적층체(10)를 권취할 때에, 전극 적층체(10)의 장력이 권심체(101)의 회전방향과 반대로 권심체(101)에 가해진다. 이때, 구동부와 가까이 배치된 제2결합돌기부(126)와 제1결합홈부(113)에는 권심체(101)의 회전방향과 반대방향으로 비틀림 모멘트가 가해지고, 구동부에서 멀리 배치된 제1결합돌기부(116)와 제2결합홈부(123)에는 권심체(101)의 회전방향과 동일한 방향으로 비틀림 모메트가 가해진다. 이에 따라, 권심체(101)의 길이방향 양측에서 서로 반대방향으로 가해지는 비틀림 모멘트가 서로 상쇄될 수 있다. 나아가, 권심체(101)의 길이방향 양측에 가해지는 비틀림 모멘트가 서로 반대방향으로 작용하면서 상쇄되므로, 전극 적층체(10)의 폭방향 양측에 가해지는 장력이 거의 동일해진다. 이에 따라, 전극 적층체(10)가 권심체(101)에 틀어지거나 사행된 상태로 권취되는 것을 방지할 수 있다.
제1결합돌기부(116)는 제1권심부(110)의 길이방향을 따라 동일한 폭으로 형성되고, 제2결합돌기부(126)는 제2권심부(120)의 길이방향을 따라 동일한 폭으로 형성된다. 또한, 제1결합홈부(113)는 제1권심부(110)의 길이방향을 따라 동일한 폭으로 형성되고, 제2결합홈부(123)는 제2권심부(120)의 길이방향을 따라 동일한 폭으로 형성된다. 이에 따라, 전극 적층체(10)의 코어부(21)에서 제1권심부(110)와 제2권심부(120) 중 어느 하나를 축방향(권심체의 길이방향)으로 빼낼 때에, 제1권심부(110)나 제2권심부(120)가 걸리지 않고 원활하게 빠질 수 있다. 제1권심부(110)나 제2권심부(120)가 코어부(21)에서 원활하게 빠지므로, 코어부(21) 근처의 분리막 부분(13a)이 걸리거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 코어부(21) 근처의 분리막 부분(13a)이 전극(11,12)에서 분리되는 것을 방지할 수 있다.
제1결합돌기부(116)의 폭은 제1구속부(112) 측으로 갈수록 점차적으로 좁게 형성되고, 제2결합돌기부(126)의 폭은 제2구속부(122) 측으로 갈수록 점차적으로 좁게 형성될 수 있다. 또한, 제1결합홈부(113)의 폭은 제1구속부(112) 측으로 갈수록 점차적으로 좁게 형성되고, 제2결합홈부(123)은 폭은 제2구속부(122) 측으로 갈수록 점차적으로 좁게 형성될 수 있다. 즉, 제1결합돌기부(116)와 제2결합돌기부(126)는 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 전극 조립체(20)의 코어부(21)에서 빠지는 방향으로 갈수록 폭이 좁아질 수 있다.
제1결합돌기부(116)는 제1구속부(112)와 수직하게 돌출되고, 제2결합돌기부(126)는 제1결합돌기부(116)와 반대방향으로 제2구속부(122)와 수직하게 돌출될 수 있다. 이에 따라, 권심체(101)가 회전되면서 전극 적층체(10)를 권취할 때에, 제1결합돌기부(116)와 제2결합돌기부(126)에 가해지는 전단응력이 권심체(101)의 회전중심에 집중될 수 있다. 상기 전단응력이 권심체(101)의 회전중심에 집중되므로, 권심체(101)가 휘어지거나 회전중심에서 편심되는 것을 방지할 수 있다.
제1결합돌기부(116)는 제1구속부(112) 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제1테이퍼부(117)를 포함하고, 제2결합홈부(123)는 제2구속부(122)에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 제2테이퍼홈부(124)를 포함한다. 이때, 제1테이퍼부(117)와 제2테이퍼홈부(124)는 제1구속부(112)와 제2구속부(122) 측으로 갈수록 수렴되는 형태로 각각 형성될 수 있다. 상기 권심체(101)의 둘레에 전극 조립체(20)가 젤리롤 형태로 권취된 후 제1권심부(110)가 원통형 전극 조립체(20)의 코어부(21)에서 빠질 때에, 제1권심부(110)가 제2권심부(120)로부터 반경방향으로 벌어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제1권심부(110)가 코어부(21)에서 빠질 때에 제1테이퍼부(117)가 코어부(21) 근처의 분리막 부분(13a)을 부드럽게 밀어 올리면서 빠질 수 있다. 따라서, 코어부(21) 근처의 분리막 부분(13a)이 제1결합돌기부(116)에 의해 손상되거나 전극(11,12)에서 분리되는 것을 방지할 수 있다.
제2결합돌기부(126)는 제2구속부(122) 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제2테이퍼부(127)를 포함하고, 제1결합홈부(113)는 제1구속부(112)에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 제1테이퍼홈부(114)를 포함할 수 있다. 이때, 제2테이퍼부(127)와 제1테이퍼홈부(114)는 제1구속부(112)와 제2구속부(122) 측으로 갈수록 수렴되는 형태로 각각 형성될 수 있다. 상기 제2권심부(120)가 전극 조립체(20)의 코어부(21)에서 원활하게 빠질 수 있다.
제1결합돌기부(116)의 단면은 반원 형태로 형성된다. 이때, 제1결합돌기부(116)는 제1권심부(110)의 회전중심과 동심을 이룰 수 있다. 또한, 제2결합홈부(123)의 단면 역시 제1결합돌기부(116)에 맞물리도록 반원 형태로 형성된다. 이에 따라, 제1결합돌기부(116)에 가해지는 전단응력이 제1권심부(110)의 회전중심에 집중될 수 있다.
제2결합돌기부(126)의 단면은 반원 형태로 형성된다. 이때, 제2결합돌기부(126)는 제2권심부(120)의 회전중심과 동심을 이룰 수 있다. 또한, 제1결합홈부(113)의 단면 역시 제2결합돌기부(126)에 맞물리도록 반원 형태로 형성된다. 이에 따라, 제2결합돌기부(126)에 가해지는 전단응력이 제2권심부(120)의 회전중심에 집중될 수 있다.
상기한 권심체(101)는 전체에는 비틀림 모멘트가 작용하지만, 권심체(101)의 길이방향 양측에서는 제1결합돌기부(116)와 제2결합홈부(123), 제2결합돌기부(126)와 제1결합홈부(113)가 서로 맞물리므로, 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 뒤틀리거나 직경방향 반대측으로 슬립되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 권심체(101)가 젤리롤 형태의 전극 적층체(10)에서 분리되는 과정에 관해 설명하기로 한다.
도 7은 전극 조립체의 코어부에서 제2권심부가 빠지는 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 8은 도 6의 전극 조립체의 코어부에서 제2권심부가 완전히 빠진 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 도 8의 전극 조립체의 코어부에서 제1권심부가 빠질 때에 제1권심부의 제1결합돌기부가 분리막을 밀어올리는 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 권심체(101)에 전극 적층체(10)의 권취가 완료되면, 제2권심부(120)가 길이방향 우측으로 이동되면서 전극 적조립체(20)의 코어부(21)에서 빠진다. 이때, 제2권심부(120)의 제2결합돌기부(126)는 제1결합홈부(113)에서 슬라이딩되면서 이동되고, 제2권심부(120)의 제2결합홈부(123)는 제1결합돌기부(116)에서 슬라이딩되면서 이동된다. 따라서, 제2권심부(120)가 코어부 근처의 분리막 부분(13a)에 걸리지 않고 코어부(21)에서 원활하게 빠지게 된다.
제2권심부(120)가 코어부(21)에서 완전히 빠지면, 제1권심부(110)가 길이방향 우측으로 이동되면서 전극 조립체(20)의 코어부(21)에서 빠진다. 이때, 제1권심부(110)의 제1결합돌기부(116)의 우측에 제1테이퍼부(117)가 형성되므로, 제1테이퍼부(117)가 코어부(21) 근처의 분리막 부분(13a)을 밀어올린다. 제1테이퍼부(117)가 분리막 부분(13a)을 밀어올린 상태에서 제1결합돌기부(116)가 코어부(21)에서 빠지므로, 코어부(21) 근처의 분리막 부분(13a)이 제1결합돌기부(116)에 걸리거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이, 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 전극 조립체(20)의 코어부(21)에서 축방향으로 이동되면서 원활하게 빠지므로, 코어부 근처의 분리막(13a)이 손상되거나 전극(11,12)에서 분리되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 후속공정이 이차전지의 사용중에 이차전지가 과열되는 것을 방지하거나 화재 위험성을 최소화할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 전극 적층체용 권심장치에서 권심체의 제2실시예를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 11은 도 10의 전극 적층체용 권심장치의 권심체에서 제1결합돌기부와 제2결합홈부, 제1구속부와 제2구속부, 제2결합돌기부와 제1결합홈부를 각각 절단한 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체용 권심장치(100)에서 권심체(101)의 제2실시예에 의하면, 제1결합돌기부(116)의 단면은 사각 형태로 형성된다. 이때, 제2결합홈부(123)의 단면은 제1결합돌기부(116)가 맞물리도록 사각 형태로 형성된다. 이에 따라, 제1결합돌기부(116)에 가해지는 전단응력이 제1권심부(110)의 회전중심에 집중될 수 있다.
제2결합돌기부(126)의 단면은 사각 형태로 형성된다. 이때, 제1결합홈부(113)의 단면은 제2결합돌기부(126)가 맞물리도록 사각 형태로 형성된다. 이에 따라, 제2결합돌기부(126)에 가해지는 전단응력이 제2권심부(120)의 회전중심에 집중될 수 있다.
제1결합돌기부(116)는 제1구속부(112) 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제1테이퍼부(117)를 포함하고, 제2결합홈부(123)는 제2구속부(122)에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 제2테이퍼홈부(124)를 포함한다. 이때, 제1테이퍼부(117)와 제2테이퍼홈부(124)는 제1구속부(112)와 제2구속부(122) 측으로 갈수록 수렴되는 형태로 각각 형성될 수 있다. 또한, 제1테이퍼부(117)와 제2테이퍼홈부(124)는 사각 형태로 형성될 수 있다. 제1 상기 권심체(101)의 둘레에 전극 조립체(20)가 젤리롤 형태로 권취된 후 제1권심부(110)가 전극 조립체(20)의 코어부(21)에서 빠질 때에, 제1권심부(110)가 제2권심부(120)로부터 반경방향으로 벌어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제1권심부(110)가 코어부(21)에서 빠질 때에 제1테이퍼부(117)가 코어부(21) 근처의 분리막 부분(13a)을 부드럽게 밀어올리면서 빠질 수 있다. 따라서, 코어부(21) 근처의 분리막 부분(13a)이 제1결합돌기부(116)에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
제2결합돌기부(126)는 제2구속부(122) 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제2테이퍼부(127)를 포함하고, 제1결합홈부(113)는 제1구속부(112)에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 제1테이퍼홈부(114)를 포함할 수 있다. 제2테이퍼부(127)와 제2테이퍼홈부(124)는 다각 형태로 형성될 수 있다. 이때, 제2테이퍼부(127)와 제1테이퍼홈부(114)는 제1구속부(112)와 제2구속부(122) 측으로 갈수록 수렴되는 형태로 각각 형성될 수 있다. 상기 제2권심부(120)가 전극 조립체(20)의 코어부(21)에서 원활하게 빠질 수 있다.
제1결합돌기부(116)는 제1권심부(110)의 길이방향을 따라 동일한 폭으로 형성되고, 제2결합돌기부(126)는 제2권심부(120)의 길이방향을 따라 동일한 폭으로 형성된다. 또한, 제1결합홈부(113)는 제1권심부(110)의 길이방향을 따라 동일한 폭으로 형성되고, 제2결합홈부(123)는 제2권심부(120)의 길이방향을 따라 동일한 폭으로 형성된다. 이에 따라, 전극 적층체(10)의 코어부(21)에서 제1권심부(110)와 제2권심부(120) 중 어느 하나를 빼낼 때에, 제1권심부(110)나 제2권심부(120)가 걸리지 않고 원활하게 빠질 수 있다.
또한, 제1결합돌기부(116)와 제2결합돌기부(126)는 제1권심부(110)와 제2권심부(120)가 전극 조립체(20)의 코어부(21)에서 빠지는 방향으로 갈수록 폭이 좁아질 수 있다.
한편, 상기 제1결합돌기부(116)의 단면은 반원 또는 사각 형태로 형성되고, 상기 제2결합돌기부(126)의 단면은 반원 형태 및 사각 형태 중 제1결합돌기부(116)와 다른 형태로 형성될 수 있다. 이때, 제2결합홈부(123)는 제1결합돌기부(116)와 대응되는 형태로 형성되고, 제1결합홈부(113) 역시 제2결합돌기부(126)와 대응되는 형태로 형성된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10: 전극 적층체
11: 제1전극
12: 제2전극
13: 분리막
13a: 코어측 분리막 부분
14: 유지부
15: 무지부
20: 전극 조립체
21: 코어부
100: 권심장치
101: 권심체
110: 제1권심부
111: 제1가이드
112: 제1구속부
113: 제1결합홈부
114: 제1테이퍼홈부
116: 제1결합돌기부
117: 제1테이퍼부
120: 제2권심부
121: 제2가이드
122: 제2구속부
123: 제2결합홈부
124: 제2테이퍼홈부
126: 제2결합돌기부
127: 제2테이퍼부

Claims (22)

  1. 제1권심부; 및
    상기 제1권심부에 겹쳐지고, 상기 제1권심부와 함께 회전되면서 전극 적층체를 권취하는 제2권심부;를 포함하고,
    상기 제1권심부는,
    상기 제1권심부에 형성되는 제1구속부;
    상기 제1권심부에서 상기 제1구속부의 길이방향 일측에 배치되고, 상기 제1구속부보다 함몰되게 형성되는 제1결합홈부; 및
    상기 제1권심부에서 상기 제1구속부의 길이방향 타측에 배치되고, 상기 제1구속부보다 돌출되게 형성되는 제1결합돌기부;를 포함하고,
    상기 제2권심부는,
    상기 제1구속부에 대향되고, 상기 제1구속부와 함께 상기 전극 적층체를 구속하는 제2구속부;
    상기 제2권심부에서 상기 제2구속부의 길이방향 일측에 배치되고, 상기 제1결합홈부에 맞물리게 형성되는 제2결합돌기부; 및
    상기 제2권심부에서 상기 제2구속부의 길이방향 타측에 배치되고, 상기 제1결합돌기부에 맞물리게 형성되는 제2결합홈부;를 포함하는, 전극 조립체용 권심장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부는 상기 제2결합돌기부와 반대방향으로 돌출되는, 전극 조립체용 권심장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합홈부는 상기 제2결합홈부와 반대방향으로 함몰되는, 전극 조립체용 권심장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부는 상기 제1구속부와 수직하게 돌출되고,
    상기 제2결합돌기부는 상기 제2구속부와 수직하게 돌출되는, 전극 조립체용 권심장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부는 상기 제1구속부 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제1테이퍼부를 포함하고,
    상기 제2결합홈부는 상기 제2구속부에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 제2테이퍼홈부를 포함하는, 전극 조립체용 권심장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2결합돌기부는 상기 제2구속부 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제2테이퍼부를 포함하고,
    상기 제1결합홈부는 상기 제1구속부에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 제1테이퍼홈부를 포함하는, 전극 조립체용 권심장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1구속부와 상기 제2구속부는 상기 전극 적층체의 분리막의 폭보다 길게 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1구속부와 상기 제2구속부는 평면 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부의 단면은 반원 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부는 상기 제1권심부의 회전중심과 동심을 이루는, 전극 조립체용 권심장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2결합돌기부의 단면은 반원 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2결합돌기부는 상기 제2권심부의 회전중심과 동심을 이루는, 전극 조립체용 권심장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부의 단면은 사각 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2결합돌기부의 단면은 사각 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1권심부와 상기 제2권심부는 서로 겹쳐져 원형 봉 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  16. 제1권심부; 및
    전극 적층체를 구속하도록 상기 제1권심부에 겹쳐지고, 상기 제1권심부와 함께 회전되면서 전극 적층체를 권취하는 제2권심부;를 포함하고,
    상기 제1권심부는,
    상기 제1권심부의 길이방향 일측에 상기 전극 적층체를 회피하도록 형성되는 제1결합홈부; 및
    상기 제1권심부의 길이방향 타측에 상기 전극 적층체를 회피하도록 형성되는 제1결합돌기부;를 포함하고,
    상기 제2권심부는,
    상기 제2권심부의 길이방향 일측에 상기 제1결합홈부에 맞물리게 형성되는 제2결합돌기부; 및
    상기 제2권심부의 길이방향 타측에 상기 제1결합돌기부에 맞물리게 형성되는 제2결합홈부;를 포함하고,
    상기 제1결합돌기부는 상기 제2결합돌기부와 반대방향으로 돌출되고,
    상기 제1결합홈부는 상기 제2결합홈부와 반대방향으로 함몰되는, 전극 조립체용 권심장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1구속부와 상기 제2구속부는 평면 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부는 상기 제1구속부와 수직하게 돌출되고,
    상기 제2결합돌기부는 상기 제2구속부와 수직하게 돌출되는, 전극 조립체용 권심장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부는 상기 제1구속부 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제1테이퍼부를 포함하고,
    상기 제2결합홈부는 상기 제1테이퍼부가 맞물리는 제2테이퍼홈부를 포함하는, 전극 조립체용 권심장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제2결합돌기부는 상기 제2구속부 측으로 갈수록 높이가 낮아지는 제2테이퍼부를 포함하고,
    상기 제1결합홈부는 상기 제2테이퍼부가 맞물리는 제1테이퍼홈부를 포함하는, 전극 조립체용 권심장치.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부의 단면은 반원 또는 사각 형태로 형성되고,
    상기 제2결합돌기부의 단면은 상기 제1결합돌기부와 동일한 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 제1결합돌기부의 단면은 반원 또는 사각 형태로 형성되고,
    상기 제2결합돌기부의 단면은 반원 형태 및 사각 형태 중 상기 제1결합돌기부와 다른 형태로 형성되는, 전극 조립체용 권심장치.
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