KR20240038459A - 단위 셀의 라미네이션 방법, 그리고 이를 위한 장치 - Google Patents

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KR20240038459A
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유미정
박기범
방종민
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

개시되는 발명은 단위 셀의 라미네이션 방법에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 전극 롤과 분리막 롤로부터 권출되는 전극과 분리막을 상하로 나란하게 주행시키는 권출 단계;와, 상하로 나란하게 주행하는 전극과 분리막을 상하방에서 가열 및 가압하여 상기 전극과 분리막을 제1 방향을 따라 접합하는 1차 라미네이션 단계;와, 접합된 전극과 분리막의 적층체를 절단하여 단위 셀로 만드는 단위 셀 분리단계; 및 상기 단위 셀 각각에 대해, 상기 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라 상하방에서 가열 및 가압하여 재접합하는 2차 라미네이션 단계를 포함한다.

Description

단위 셀의 라미네이션 방법, 그리고 이를 위한 장치{LAMINATION METHOD FOR UNIT CELL AND DEVICE FOR UNIT CELL LAMINATION}
본 발명은 단위 셀을 구성하는 전극과 분리막을 접합시키는 라미네이션 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.
이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 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(Jellyroll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리필름으로 권취한 스택 앤 폴딩(Stack & Folding)형으로 대략 분류할 수 있다.
양극과 음극에 도포된 활물질과 분리막을 접합하여 단위 셀을 완성하기 위해 라미네이션 공정이 수행된다. 라미네이션 공정은 활물질이 도포된 양극과 음극, 그리고 그 사이에 개재된 분리막이 적층된 상태에서 프레스 롤을 통해 상하로 열과 압력을 가함으로써 분리막이 활물질에 접합되도록 한다.
그런데, 프레스 롤의 양단에서 가해지는 압력은 중앙에 비해 다소 떨어지기 때문에 단위 셀의 전장이 길어질수록 상하단에서의 라미네이션이 약해지는 경향이 있으며, 또한 유동성이 있는 활물질의 슬라이딩으로 인해 전극의 무지부와 분리막 사이에는 간극이 생기기 때문에 상대적으로 더 약하게 접착되는 문제가 있다.
이와 같이, 단위 셀의 라미네이션 강도에 불균일이 있으면 라미네이션이 상대적으로 약한 부위에서 리튬 석출이 발생하기 쉽고, 예상하는 충방전 사이클을 구현할 수 없음에 따라 장기적으로 단위 셀의 성능에 나쁜 영향을 미치게 된다.
한국공개특허 제2018-0057847호(2018.05.31 공개)
본 발명은 단위 셀에 대한 라미네이션 강도를 전체적으로 균일하게 만들 수 있는 라미네이션 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 단위 셀의 라미네이션 방법에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 전극 롤과 분리막 롤로부터 권출되는 전극과 분리막을 상하로 나란하게 주행시키는 권출 단계;와, 상하로 나란하게 주행하는 전극과 분리막을 상하방에서 가열 및 가압하여 상기 전극과 분리막을 제1 방향을 따라 접합하는 1차 라미네이션 단계;와, 접합된 전극과 분리막의 적층체를 절단하여 단위 셀로 만드는 단위 셀 분리단계; 및 상기 단위 셀 각각에 대해, 상기 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라 상하방에서 가열 및 가압하여 재접합하는 2차 라미네이션 단계를 포함한다.
여기서, 상기 제1 방향 및 제2 방향은, 상기 단위 셀을 기준으로 서로 수직한 방향인 것이 바람직할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 방향은 상기 단위 셀의 전폭 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 단위 셀의 전장 방향일 수 있다.
그리고, 상기 2차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 온도와 압력은, 상기 1차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 온도와 압력보다 높지 않은 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 1차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 제1 프레스 롤과, 상기 2차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 제2 프레스 롤은 상기 전극과 분리막의 주행방향에 대해 직교하는 방향으로 배치되고, 상기 단위 셀 분리단계 이후에 상기 단위 셀을 주행방향에 대해 90°각도로 회동시키는 단위 셀 회동단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단위 셀 회동단계는, 상기 단위 셀의 무지부가 상기 제2 프레스 롤의 입구를 향하도록 상기 단위 셀을 회동시키는 것일 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시형태에 따라서는, 상기 전극 롤은 중앙전극 롤과, 상기 중앙전극 롤과 극성이 다른 상부전극 롤 및 하부전극 롤을 포함하고, 상기 분리막 롤은 상기 중앙전극 롤과 상부전극 롤 사이로 분리막을 공급하는 제1 분리막 롤과, 상기 중앙전극 롤과 하부전극 롤 사이로 분리막을 공급하는 제2 분리막 롤을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 1차 라미네이션 단계 이전에, 중앙전극, 그리고 상부전극 및 하부전극을 단위 셀 크기에 맞춰 절단하는 예비 절단단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 중앙전극을 권출하는 중앙전극 롤 공급부;와, 상기 중앙전극의 주행방향과 나란하게 상기 중앙전극의 상하로 제1 및 제2 분리막을 각각 권출하는 제1 및 제2 분리막 공급부;와, 상기 중앙전극과 제1 및 제2 분리막이 적층된 상태에서 상하방으로 가열 및 가압하여 접합하는 제1 프레스 롤;과, 상기 제1 프레스 롤을 통과한 중앙전극과 분리막의 적층체를 단위 셀 사이즈로 절단하는 제1 절단부;와, 상기 제1 절단부에서 절단된 단위 셀을 주행방향에 대해 일정 각도로 회동시켜 이송하는 턴 테이블 이송부; 및 상기 턴 테이블 이송부에 의해 회동된 단위 셀에 대해 상하방으로 가열 및 가압하여 재접합하는 제2 프레스 롤을 포함하는 단위 셀의 라미네이션 장치를 제공한다.
상기 제1 프레스 롤과 제2 프레스 롤은 상기 주행방향에 대해 직교하는 방향으로 배치되고, 상기 턴 테이블 이송부는 상기 단위 셀을 주행방향에 대해 90°각도로 회동시켜 이송하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 턴 테이블 이송부는, 상기 단위 셀의 무지부가 상기 제2 프레스 롤의 입구를 향하도록 상기 단위 셀을 회동시키는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제1 프레스 롤은 상기 단위 셀의 전폭 방향을 따라 가열 및 가압하고, 상기 제2 프레스 롤은 상기 단위 셀의 전장 방향을 따라 가열 및 가압하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제2 프레스 롤이 가열 및 가압하는 온도와 압력은, 상기 제1 프레스 롤이 가열 및 가압하는 온도와 압력보다 높지 않은 것이 바람직할 수 있다.
단위 셀의 라미네이션 장치에 대한 실시형태에 따라서는, 상기 제1 분리막 위로 상부전극을 권출하는 상부전극 롤 공급부; 및 상기 제2 분리막 아래로 하부전극을 권출하는 하부전극 롤 공급부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 프레스 롤의 상류에 배치되고, 중앙전극, 그리고 상부전극 및 하부전극을 단위 셀 크기에 맞춰 절단하는 제2 절단부를 더 포함할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 라미네이션 방법에 의하면, 활물질의 슬라이딩으로 인해 전극의 무지부와 분리막 사이에 생기는 간극에 의하거나, 또는 단위 셀의 전장이 길어짐으로써 단위 셀 상하단에서의 접착이 약해지는 경우에도 2차례에 걸쳐 서로 다른 방향으로 라미네이션을 수행함으로써 단위 셀 전체에 걸쳐 더욱 균일하게 전극과 분리막을 접착하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 전극과 분리막 사이의 접착이 균일하고 더욱 양호해짐에 따라 완성된 단위 셀은 장기간 동안 안정적인 충방전 사이클을 구현할 수 있게 되고, 결국 단위 셀의 신뢰성은 향상된다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 단위 셀의 라미네이션 방법에 대한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 단위 셀의 라미네이션 방법에 대한 순서도.
도 3은 1차 및 2차 라미네이션을 수행하는 일 실시형태를 도시한 도면.
도 4는 1차 및 2차 라미네이션을 수행하는 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 5는 단위 셀의 라미네이션 방법을 위한 장치의 일 실시형태를 도시한 도면.
도 6은 단위 셀의 라미네이션 장치에 구비되는 턴 테이블 이송부의 일 실시형태를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 단위 셀의 라미네이션 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은, 전극 롤과 분리막 롤로부터 권출되는 전극과 분리막을 상하로 나란하게 주행시키는 권출 단계와, 상하로 나란하게 주행하는 전극과 분리막을 상하방에서 가열 및 가압하여 상기 전극과 분리막을 제1 방향을 따라 접합하는 1차 라미네이션 단계와, 접합된 전극과 분리막의 적층체를 절단하여 단위 셀로 만드는 단위 셀 분리단계와, 그리고 상기 단위 셀 각각에 대해, 상기 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라 상하방에서 가열 및 가압하여 재접합하는 2차 라미네이션 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 상기 단위 셀을 기준으로 서로 수직한 방향일 수 있다.
상기와 같은 단위 셀의 라미네이션 방법에 의하면, 활물질의 슬라이딩으로 인해 전극의 무지부와 분리막 사이에 생기는 간극에 의하거나, 단위 셀의 전장이 길어짐으로써 단위 셀 상하단에서의 접착이 약해지는 경우에도 2차례에 걸쳐 서로 다른 방향으로 라미네이션을 수행함으로써 단위 셀 전체에 걸쳐 더욱 균일하게 전극과 분리막을 접착하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 전극과 분리막 사이의 접착이 균일하고 더욱 양호해짐에 따라 장기간 동안 안정적인 충방전 사이클을 구현할 수 있게 되고, 단위 셀의 신뢰성을 향상시키게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 단위 셀의 라미네이션 방법에 대한 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명에 따른 단위 셀의 라미네이션 방법에 대한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 단위 셀의 라미네이션 방법에 대한 순서도로서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 단위 셀의 라미네이션 방법에 관한 것으로서, 권출 단계와 1차 라미네이션 단계, 단위 셀 분리단계 및 2차 라미네이션 단계를 포함한다.
권출 단계는 전극 롤과 분리막 롤로부터 권출되는 전극과 분리막을 상하로 나란하게 주행시키는 일종의 원자재 공급단계에 해당한다. 롤에 권취되어 있는 전극과 분리막이 풀리면서 상하로 나란히 서로 중첩되어 주행하며, 중첩되어 주행하는 가운데 전극과 분리막이 상호 접착되어야 하기 때문에 정확히 정렬된 상태를 유지하는 것이 중요하다. 여기서, 전극 표면에는 활물질이 도포되어 건조된 상태에 있으며, 전극의 일단 또는 양단(주행방향을 기준으로 전극의 가장가리)에는 추후 탭 가공(타발가공)을 수행하기 위해 활물질이 도포되지 않은 무지부(710)가 존재한다.
1차 라미네이션 단계는 상하로 나란하게 주행하는 전극과 분리막을 상하방에서 가열 및 가압하여 전극과 분리막을 1차적으로 접합하는 단계이다. 1차 라미네이션 단계는 전극과 분리막에 대해 제1 프레스 롤(300)로 열과 압력을 가하는 방식으로 수행되며, 제1 프레스 롤(300)은 전극과 분리막의 주행방향을 가로지르는 방향으로 연장되어 있다. 따라서, 1차 라미네이션은 전극과 분리막의 주행방향(롤의 길이방향)을 따라 이루어지며, 여기서는 이러한 1차 라미네이션의 방향을 제1 방향으로 지칭한다.
1차 라미네이션 단계를 거침으로써, 서로 별개의 원자재로서 공급되었던 전극과 분리막이 상호 접합된다. 다만, 라미네이션의 균일성을 본다면, 무지부(710)가 형성된 전극의 일단 또는 양단은 활물질의 슬라이딩으로 인해 분리막에 대해 간극이 존재함에 따라 상대적으로 더 약하게 접착되는 불균일의 문제가 생기기 쉽다. 본 발명은 이러한 문제를 보완하기 위해, 2차 라미네이션 단계를 수행한다.
다만, 본 발명의 라미네이션 방법은, 2차 라미네이션 단계를 수행하기 이전에 1차 라미네이션 단계에서 접합된 전극과 분리막의 적층체를 절단하여 단위 셀(700)로 만드는 단위 셀 분리단계를 수행하는 것으로 구성된다. 이는 전극과 분리막의 적층체를 절단하지 않고 바로 2차 라미네이션 단계를 수행하면, 2차 라미네이션 단계에서 가하는 열과 압력에 의해 적층체가 비틀리거나 말리는 등의 변형 문제가 발생할 가능성이 크기 때문이다.
단위 셀 분리단계 이후에 수행되는 2차 라미네이션 단계는, 각각의 단위 셀(700)에 대해, 1차 라미네이션 단계에서의 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라 제2 프레스 롤(600)을 통해 상하방에서 가열 및 가압하여 재접합하는 단계이다. 제1 방향과는 다른 제2 방향, 즉 제1 방향에 교차하는 새로운 제2 방향으로 열과 압력을 단위 셀(700)에 다시 가함으로써 접착 강도가 약했던 부위를 보강하고, 이를 통해 단위 셀(700)의 라미네이션 균일성을 확보하게 된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 서로 교차하는 제1 방향과 제2 방향은, 단위 셀(700)을 기준으로 서로 수직한 방향인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향은 단위 셀(700)의 전폭 방향(FW)이고, 제2 방향은 단위 셀(700)의 전장 방향(FL)일 수 있다. 단위 셀(700)의 서로 직교하는 전폭과 전장 방향(FL)을 따라 각각 한 차례씩 라미네이션 공정을 수행함으로써 단위 셀(700) 전체 면적에서의 접착 강도는 매우 균일해진다.
여기서, 2차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 온도와 압력은, 앞서 수행된 1차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 온도와 압력보다 높지 않은 것이 바람직할 수 있다. 이는 2차 라미네이션 단계에서 필요 이상의 과도한 열과 압력이 가해짐으로써 전극과 분리막이 경화되는 등의 물성 변화가 일어나거나 단위 셀(700)에 변형이 발생하는 등의 문제를 고려할 필요가 있기 때문이다.
예를 들어, 종래에 1회로 라미네이션 공정을 수행하는 경우에서의 온도와 압력이 각각 50∼80℃, 150∼200㎏f/㎡ 범위일 경우, 본 발명에서의 1차 라미네이션 단계에서 작용하는 온도와 압력이 종래와 동등하게 50∼80℃, 150∼200㎏f/㎡ 범위인 경우에는 2차 라미네이션 단계에서 작용하는 온도와 압력은 이보다 낮아야 한다. 그리고, 본 발명에서의 1차 라미네이션 단계에서 작용하는 온도와 압력이 종래보다 낮다면, 2차 라미네이션 단계에서 작용하는 온도와 압력은 1차 라미네이션 단계에서와 동등하거나 낮을 필요가 있다.
도 3은 1차 및 2차 라미네이션을 수행하는 일 실시형태를 도시한 도면이다. 1차 라미네이션 단계를 수행하는 제1 프레스 롤(300)은 전극과 분리막의 주행방향에 대해 직교하는 방향으로 배치됨으로써 제1 방향, 즉 단위 셀(700)의 전폭 방향(FW)을 따라 라미네이션 공정이 이루어진다.
2차 라미네이션 단계는 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 수행되어야 하므로, 제2 프레스 롤(600)은 단위 셀(700)이 주행하는 방향에 나란하게 배치된다. 이와 같이 제2 프레스 롤(600)을 배치함에 따라, 2차 라미네이션 단계에서는 단위 셀(700)이 일시 정지한 상태에서 제2 프레스 롤(600)이 회전하면서 단위 셀(700)의 전장 방향(FL)을 따라 선형 이동을 하게 된다. 여기서, 제2 프레스 롤(600)은 단위 셀(700)의 무지부(710)부터 가열 및 가압을 시작함으로써 접착강도가 약한 부분을 더욱 효과적으로 재접합하는 것이 바람직할 수 있다.
도 3의 실시형태는 2차 라미네이션 단계를 수행하기 위해 단위 셀(700)의 이송을 일시 정지 내지 서행시켜야 할 필요성이 있어 연속생산에 다소 불리한 점이 있고, 제2 프레스 롤(600)이 회전하면서 이동해야 하므로 그 구조가 복잡해지는 측면이 있다. 이러한 단점을 효과적으로 해결하기 위한 실시형태는 도 4에 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 1차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 제1 프레스 롤(300)과 동일하게, 2차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 제2 프레스 롤(600) 역시 전극과 분리막의 주행방향에 대해 직교하는 방향으로 배치되어 있다. 그리고, 단위 셀 분리단계 이후에 단위 셀(700)을 주행방향에 대해 90°각도로 회동시키는 단위 셀 회동단계를 더 포함하고 있다.
즉, 도 4의 실시형태는, 제2 프레스 롤(600)로 진입하기 이전에, 이송되는 단위 셀(700)을 90°각도로 회동시킴으로써 제2 프레스 롤(600)을 향하는 단위 셀(700)의 방향이 전장 방향(FL)으로 전환시키는데 특징이 있는 것이다. 여기서, 단위 셀(700)을 90°각도로 회동시키는 방향은, 전술한 도 3의 실시형태에서처럼, 단위 셀(700)의 무지부(710)가 제2 프레스 롤(600)의 입구를 향하는 방향으로 회동시키는 것이 바람직할 것이다.
도 4의 실시형태는 단위 셀(700)의 연속 생산에 유리하고, 제1 및 제2 프레스 롤(300, 600)의 구조가 거의 동일해지기 때문에 설비운용 측면에서 유리하다는 장점이 있다. 다만, 단위 셀(700)을 90°각도로 회동시켜 이송하는 설비가 필요해지는데, 이에 대해서는 후술할 제2 실시형태에서 설명하기로 한다.
한편, 본 발명에 따른 단위 셀의 라미네이션 방법은 다양한 구조의 단위 셀(700)에 두루 적용될 수 있다. 다시 말해, 모노셀과 바이셀, 나아가 하프셀과 풀셀 등 전극과 분리막을 접합시키는 공정이 요구되는 단위 셀(700)에 모두 적용할 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 양극과 하나 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태에서 적층된 단위 셀(700)로서 최외곽 전극의 극성이 동일한 바이셀이 경우라면, 전극 롤은 중앙전극 롤과, 중앙전극 롤과 극성이 다른 상부전극 롤 및 하부전극 롤을 포함하고, 또한 분리막 롤은 중앙전극 롤과 상부전극 롤 사이로 분리막을 공급하는 제1 분리막 롤과, 중앙전극 롤과 하부전극 롤 사이로 분리막을 공급하는 제2 분리막 롤을 포함하게 된다(도 5 참조).
그리고, 1차 라미네이션 단계 이전에, 중앙전극과, 상부전극 및 하부전극을 단위 셀(700) 크기에 맞춰 절단하는 예비 절단단계를 포함할 수 있다. 예비 절단단계에서 제1 및 제2 분리막은 절단되지 않으므로, 전극과 분리막의 적층체는 연속체로서 1차 라미네이션 단계를 거치게 된다(도 5 참조).
[제2 실시형태]
도 5 및 도 6은 제1 실시형태에서 설명한 단위 셀의 라미네이션 방법을 수행하기 위한 장치의 일 실시형태를 도시한 도면으로서, 이들 도면을 참조하여 라미네이션 장치(10)에 대해 설명하기로 한다. 다만, 설명의 중복을 피하기 의해, 제1 실시형태에서 충분히 설명된 구성에 대해서는 간략히 설명하거나 생략할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 라미네이션 장치(10)는, 중앙전극을 권출하는 중앙전극 롤 공급부(100)와, 중앙전극의 주행방향과 나란하게 중앙전극의 상하로 제1 및 제2 분리막을 각각 권출하는 제1 및 제2 분리막 공급부(200, 210)를 포함한다.
그리고, 중앙전극과 제1 및 제2 분리막이 적층된 상태에서 상하방으로 가열 및 가압하여 접합하는 제1 프레스 롤(300)을 구비하며, 제1 프레스 롤(300)을 통해 단위 셀(700)의 전폭 방향(FW)을 따라 1차 라미네이션 공정이 수행된다. 또한, 제1 프레스 롤(300)을 통과하여 상호 접합된 중앙전극과 분리막의 적층체는 제1 절단부(400)에 의해 단위 셀(700) 사이즈로 절단된다.
아울러 본 발명의 라미네이션 장치(10)는 2차 라미네이션 공정을 수행하는 제2 프레스 롤(600)을 구비하는데, 제1 프레스 롤(300)과 제2 프레스 롤(600) 사이에는 턴 테이블 이송부(500)가 배치된다. 턴 테이블 이송부(500)는 제1 절단부(400)에서 절단된 단위 셀(700)을 주행방향에 대해 일정 각도로 회동시켜 이송하는 것으로서, 구체적으로 제1 프레스 롤(300)과 제2 프레스 롤(600)은 단위 셀(700)의 주행방향에 대해 직교하는 방향으로 나란히 배치되고, 그 사이에 위치한 턴 테이블 이송부(500)는 이송 중인 단위 셀(700)을 주행방향에 대해 90°각도로 회동시킨다.
도 6은 단위 셀의 라미네이션 장치(10)에 구비되는 턴 테이블 이송부(500)의 일 실시형태를 보여준다. 도 6을 참조하면, 턴 테이블 이송부(500)는 전체적으로는 컨베이어 벨트의 형태를 이루고 있으며, 컨베이어 벨트의 표면에 회동 가능한 복수의 턴 테이블이 구비되어 있다. 각각의 턴 테이블에는 스테핑 모터와 같은 전동기구가 축으로 연결되어 있으며, 스테핑 모터의 구동에 의해 턴 테이블이 회동함으로써 그 위에 올려진 단위 셀(700)의 방향이 전환된다.
다만, 도 6의 턴 테이블 이송부(500)는 단위 셀(700)이 제2 프레스 롤(600)에 도달하기 이전에 전장과 전폭 방향(FW)을 90°로 전환하기 위한 하나의 예에 해당하며, 이 외에도 자동화된 그리퍼 장치를 이용하여 컨베이어 벨트에서 단위 셀(700)을 약간 들어올렸다가 90°로 돌린 후에 다시 컨베이어 벨트 위에 안착시키는 등의 다양한 방식을 적용하는 것도 가능하다.
그리고, 턴 테이블 이송부(500)를 포함하는 다양한 방식의 방향전환 기구는, 단위 셀(700)의 무지부(710)가 제2 프레스 롤(600)의 입구를 향하는 방향으로 단위 셀(700)을 회동시키는 것이 바람직할 수 있으며, 그 이유는 전술한 바와 같이 무지부(710)와 분리막 사이의 간극에 의해 접착 강도가 가장 약할 것으로 예상되는 부분이 단위 셀(700)의 무지부(710) 영역이기 때문에 우선적으로 재접합이 이루어지는 것이 적절하기 때문이다.
턴 테이블 이송부(500)에 의해 그 방향이 전환된 단위 셀(700)은 제2 프레스 롤(600)에 진입하여 다시금 상하방으로 가열 및 가압된다. 제2 프레스 롤(600)에 의한 단위 셀(700)의 전장 방향(FL)을 따른 재접합을 통해 단위 셀(700) 전체 면적에서의 접착 강도는 매우 균일해지고, 이에 따라 완성된 단위 셀(700)의 성능이 장기간의 충방전 사이클 중에도 양호하게 유지될 수 있다.
그리고, 제2 프레스 롤(600)이 가열 및 가압하는 온도와 압력은, 제1 프레스 롤(300)이 가열 및 가압하는 온도와 압력보다 높지 않은 것이 바람직할 수 있다. 2차 라미네이션 단계에서 필요 이상의 과도한 열과 압력이 가해짐으로써 전극과 분리막이 경화되는 등의 물성 변화가 일어나거나 단위 셀(700)에 변형이 발생하는 등의 문제를 고려할 필요가 있기 때문임은 전술한 바와 같으며, 결국 제2 프레스 롤(600)이 가하는 온도와 압력은 제1 프레스 롤(300)에 의한 온도와 압력을 고려하여 적절히 선정되어야 할 것이다.
한편, 도 5는 단위 셀(700)로서 바이셀에 대해 라미네이션을 수행하는 장치를 일례로서 도시하고 있다. 바이셀을 구성하기 위해, 도시된 라미네이션 장치(10)는 제1 분리막 위로 상부전극을 권출하는 상부전극 롤 공급부(110)과, 제2 분리막 아래로 하부전극을 권출하는 하부전극 롤 공급부(120)를 더 포함하고 있으며, 상부전극과 하부전극의 극성이 동일하다.
그리고, 제1 프레스 롤(300)의 상류에 배치되어 중앙전극과 상하부전극을 단위 셀(700) 크기에 맞춰 절단하는 제2 절단부(220)를 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 라미네이션 공정 중에 가해지는 온도와 압력이 단위 셀(700) 사이즈에 맞춰 집중됨으로써 제1 및 제2 분리막에 대한 각 전극의 접합이 효과적으로 진행된다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10: 라미네이션 장치 100: 중앙전극 롤 공급부
110: 상부전극 롤 공급부 120: 하부전극 롤 공급부
200: 제1 분리막 공급부 210: 제2 분리막 공급부
220: 제2 절단부 300: 제1 프레스 롤
400: 제1 절단부 500: 턴 테이블 이송부
600: 제2 프레스 롤 700: 단위 셀
710: 무지부 FL: 단위 셀의 전장 방향
FW: 단위 셀의 전폭 방향

Claims (16)

  1. 전극 롤과 분리막 롤로부터 권출되는 전극과 분리막을 상하로 나란하게 주행시키는 권출 단계;
    상하로 나란하게 주행하는 전극과 분리막을 상하방에서 가열 및 가압하여 상기 전극과 분리막을 제1 방향을 따라 접합하는 1차 라미네이션 단계;
    접합된 전극과 분리막의 적층체를 절단하여 단위 셀로 만드는 단위 셀 분리단계; 및
    상기 단위 셀 각각에 대해, 상기 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라 상하방에서 가열 및 가압하여 재접합하는 2차 라미네이션 단계;
    를 포함하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향 및 제2 방향은,
    상기 단위 셀을 기준으로 서로 수직한 방향인 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향은,
    상기 단위 셀의 전폭 방향인 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 방향은,
    상기 단위 셀의 전장 방향인 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 온도와 압력은, 상기 1차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 온도와 압력보다 높지 않은 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 1차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 제1 프레스 롤과, 상기 2차 라미네이션 단계에서 가열 및 가압하는 제2 프레스 롤은 상기 전극과 분리막의 주행방향에 대해 직교하는 방향으로 배치되고,
    상기 단위 셀 분리단계 이후에, 상기 단위 셀을 주행방향에 대해 90°각도로 회동시키는 단위 셀 회동단계를 더 포함하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단위 셀 회동단계는,
    상기 단위 셀의 무지부가 상기 제2 프레스 롤의 입구를 향하도록 상기 단위 셀을 회동시키는 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 롤은,
    중앙전극 롤과, 상기 중앙전극 롤과 극성이 다른 상부전극 롤 및 하부전극 롤을 포함하고,
    상기 분리막 롤은,
    상기 중앙전극 롤과 상부전극 롤 사이로 분리막을 공급하는 제1 분리막 롤과, 상기 중앙전극 롤과 하부전극 롤 사이로 분리막을 공급하는 제2 분리막 롤을 포함하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 1차 라미네이션 단계 이전에,
    중앙전극, 그리고 상부전극 및 하부전극을 단위 셀 크기에 맞춰 절단하는 예비 절단단계를 포함하는 단위 셀의 라미네이션 방법.
  10. 중앙전극을 권출하는 중앙전극 롤 공급부;
    상기 중앙전극의 주행방향과 나란하게 상기 중앙전극의 상하로 제1 및 제2 분리막을 각각 권출하는 제1 및 제2 분리막 공급부;
    상기 중앙전극과 제1 및 제2 분리막이 적층된 상태에서 상하방으로 가열 및 가압하여 접합하는 제1 프레스 롤;
    상기 제1 프레스 롤을 통과한 중앙전극과 분리막의 적층체를 단위 셀 사이즈로 절단하는 제1 절단부;
    상기 제1 절단부에서 절단된 단위 셀을 주행방향에 대해 일정 각도로 회동시켜 이송하는 턴 테이블 이송부; 및
    상기 턴 테이블 이송부에 의해 회동된 단위 셀에 대해 상하방으로 가열 및 가압하여 재접합하는 제2 프레스 롤;
    을 포함하는 단위 셀의 라미네이션 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 프레스 롤과 제2 프레스 롤은 상기 주행방향에 대해 직교하는 방향으로 배치되고,
    상기 턴 테이블 이송부는 상기 단위 셀을 주행방향에 대해 90°각도로 회동시켜 이송하는 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 턴 테이블 이송부는,
    상기 단위 셀의 무지부가 상기 제2 프레스 롤의 입구를 향하도록 상기 단위 셀을 회동시키는 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 프레스 롤은 상기 단위 셀의 전폭 방향을 따라 가열 및 가압하고,
    상기 제2 프레스 롤은 상기 단위 셀의 전장 방향을 따라 가열 및 가압하는 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2 프레스 롤이 가열 및 가압하는 온도와 압력은, 상기 제1 프레스 롤이 가열 및 가압하는 온도와 압력보다 높지 않은 것을 특징으로 하는 단위 셀의 라미네이션 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 분리막 위로 상부전극을 권출하는 상부전극 롤 공급부; 및
    상기 제2 분리막 아래로 하부전극을 권출하는 하부전극 롤 공급부;
    를 더 포함하는 단위 셀의 라미네이션 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 프레스 롤의 상류에 배치되고, 중앙전극, 그리고 상부전극 및 하부전극을 단위 셀 크기에 맞춰 절단하는 제2 절단부를 더 포함하는 단위 셀의 라미네이션 장치.
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