WO2022270827A1 - 전극 조립체 제조공정 - Google Patents

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WO2022270827A1
WO2022270827A1 PCT/KR2022/008600 KR2022008600W WO2022270827A1 WO 2022270827 A1 WO2022270827 A1 WO 2022270827A1 KR 2022008600 W KR2022008600 W KR 2022008600W WO 2022270827 A1 WO2022270827 A1 WO 2022270827A1
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separator
electrode assembly
manufacturing process
bonding
assembly manufacturing
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PCT/KR2022/008600
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정재봉
안창범
서상진
심동국
장영철
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Secondary batteries unlike primary batteries, can be recharged, and are being researched and developed a lot in recent years due to their small size and high-capacity potential. As technology development and demand for mobile devices increase, demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing.
  • a secondary battery is configured by embedding an electrode assembly in a battery case (pouch, can, etc.).
  • the electrode assembly mounted inside the battery case has a laminated structure of an anode/separator/cathode, enabling repeated charging and discharging.
  • electrode assemblies were manufactured by a lamination & stacking process. Specifically, after a plurality of monocells composed of a positive electrode, a separator, a negative electrode, and a separator were stacked, the stacked structure was formed. secure with tape
  • the positive electrode, separator, negative electrode, and separator are continuously unwound and supplied in a roll-shaped state, and the positive electrode and negative electrode are cut to a certain size in the separator, moved, and passed through a laminating device. At this time, the positive electrode and the negative electrode are in a state in which a positive electrode active material and a negative electrode active material are applied to both surfaces of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, respectively.
  • the ends of the tape additionally protrude from the uppermost layer and the lowermost layer, causing a difference in thickness.
  • a part of the rim of the negative electrode (which is cut relatively larger than the positive electrode for stability) may be folded. As such, the thickness difference and folding of the negative electrode increase the internal resistance and may accelerate the deterioration of the electrode.
  • the present disclosure (1) introduces a second separator 32 extending in the left and right directions to a structure in which an anode 10, a first separator 31, and a cathode 20 are repeatedly stacked to wrap the structure, (2) simultaneously pressing the top and bottom of the structure including the introduced second separator 32 to strengthen the adhesive force between the separator and the electrode, (3) the left and right margins of the second separator 32 surrounding the structure Bonding to adjust to the standard of the structure; And (4) providing an electrode assembly manufacturing process including the step of bonding and fixing the bonded second separator 32 left and right.
  • the second separator 32 extending in the left and right directions in step (1) is introduced to at least one of the top and bottom of the structure.
  • the first separator 31 constituting the structure folds a portion protruding left and right from the anode 10 and the cathode 20 to contact one of the neighboring separators.
  • the length of the second separator 32 is 1.5 to 2.5 times longer than the circumferential length of the laminated structure to be wrapped.
  • the left and right ends of the second separator 32 are placed in contact with the top or bottom of the structure.
  • roller 52 when the roller 52 is fixed to the top or bottom of the structure in contact with the left and right ends of the second separator 32 so that the second separator is not folded, in the left and right directions of the structure
  • the second separator 32 is adsorbed to flatten the second separator 32 at the portion where the roller passes.
  • the first separator 31 protruding left and right from the positive electrode 10 and the negative electrode 20 is not folded.
  • the second separation membrane is bonded using the primary pressing member 60 moving in the vertical direction at a spaced apart position.
  • the primary pressing member 60 moves in a direction in which the second separation membrane 32 is bonded to each other in a wider range than the pressing member 60 and the second separation membrane 32.
  • the side of the pressing member is formed obliquely so that it can come into contact with it.
  • the second separator 32 when bonding the second separator 32 in step (3), when the left and right ends of the second separator 32 are located on the left or right side of the structure, Based on the position where the left and right ends of the 2 separators 32 meet, the second separator 32 is bonded vertically, and the opposite side is bonded vertically at a position parallel to the above position.
  • the left and right excess of the second separator 32 in step (3) is bonded up and down at a position horizontal to the top or bottom of the bonded structure.
  • An electrode assembly manufactured according to the above-described electrode assembly manufacturing process is provided.
  • an electrode assembly manufacturing process of the present disclosure it is possible to solve process defects such as folding and tearing of the separator, and when lapping the electrode assembly, a separator having a length extended in the left and right directions is used, and through heat or compression It is possible to improve battery performance by reducing the thickness of the electrode assembly while preventing battery performance deterioration that may occur due to the use of a tape for bonding through a finishing treatment.
  • the electrode assembly manufacturing process of the present disclosure minimizes the effect on the initial structure in which the positive electrode, the separator, and the negative electrode are repeatedly stacked, while enabling lapping to suit the size of the structure, thereby increasing the utilization value of the electrode assembly. there is.
  • FIG. 1A and 1B are views showing an exemplary laminated structure applied to the electrode assembly manufacturing process of the present disclosure.
  • the laminated structure of FIG. 1B has a structure in which portions of the separator protruding left and right from the positive electrode and the negative electrode are folded to contact one of the neighboring separators.
  • FIGS. 2A and 2B are views showing an exemplary electrode assembly manufactured according to the electrode assembly manufacturing process of the present disclosure.
  • 4A, 4B, 4C, and 4D are views sequentially showing an exemplary electrode assembly manufacturing process of the present disclosure using the laminated structure of FIG. 1B.
  • the present disclosure relates to a process for manufacturing an electrode assembly, which includes the steps of introducing a second separator extending in the left and right directions to a structure in which an anode, a first separator, and a cathode are repeatedly stacked, and wrapping the structure; 2 Pressing the top and bottom of the structure including the separator at the same time to strengthen the adhesive force between the separator and the electrode, bonding the left and right spare parts of the second separator that surrounds the structure up and down to adjust the structure according to the standard, 2 including the step of bonding and fixing the separation membrane on the left and right.
  • drawings are provided to aid understanding of the electrode assembly manufacturing process according to the present disclosure, and reference is made to the drawings for directions of up, down, left, and right in the present specification.
  • the first separator 31 and the second separator 32 may also be distinguished by size, and the second separator 32 should basically have a size sufficient to surround the laminated structure in the circumferential direction.
  • the second separator 32 may be longer than a certain level or longer than the circumferential length of the laminated structure.
  • the length of the second separator 32 may be 1.5 to 2.5 times, specifically 1.5 to 2.3 times, more specifically 1.8 to 2.3 times longer than the circumferential length of the laminated structure. there is.
  • the circumferential length of the laminated structure is the first protruding left and right from the anode 10 and the cathode 20 when the laminated structure is wrapped with the second separator 32 extending in the left and right directions from the top or bottom of the structure.
  • the length of the second separator 32 is shorter than 1.5 times, it is not possible to secure a sufficient length to bond the left and right margins of the second separator 32 vertically, and the length of the second separator 32 If it is longer than 2.5 times, too much left and right of the second separator 32 remains, making it difficult to effectively arrange the top and bottom junctions of the second separator 32 .
  • first separator 31 and the second separator 32 use the same material, they are not distinguished in terms of material.
  • the material of the first separator 31 and the second separator 32 may be used without limitation as long as it is a material for a separator for a secondary battery and is generally used in the related art, and examples thereof include polyolefin polymers such as polyethylene and polypropylene. can be used
  • the second separator 32 is introduced to at least one of the top and bottom of the structure to surround the structure.
  • the second separation membrane 32 may be separated into two and introduced into the upper and lower portions, respectively, but introducing one membrane may increase fairness.
  • the adsorption member 40 when the structure is wrapped with the second separator 32, the adsorption member 40 is placed in at least one of the left and right directions of the structure to adsorb the second separator 32 to the side surface of the structure. If sufficient free space is secured, fairness can be increased.
  • the adsorption member 40 is easily adsorbed and desorbed by adjusting the air pressure using a vacuum adsorption method, and during adsorption, the air pressure is adjusted to such an extent that the second separator 32 is not damaged while maintaining the adsorption force above a certain level.
  • the upper and lower ends of the structure including the introduced second separator 32 are simultaneously pressed to strengthen the adhesive force between the separator and the electrode.
  • pressing is performed through the pressing members 50 located in the upper and lower directions of the structure, and the pressing members 50 are located at the top and bottom of the structure including the second separator 32.
  • the lower end is pressurized under a pressure condition of 10 to 20 tons, specifically 13 to 20 tons, and more specifically 15 to 20 tons per unit area of 150 mm ⁇ 550 mm.
  • the adhesive force between each layer of the structure may be improved without collapsing the structure.
  • the left and right ends of the second separator 32 may be placed in contact with the top or bottom of the structure.
  • the second separator 32 It is necessary to connect and fix the left and right ends of the structure to the top or bottom of the structure.
  • bonding efficiency may be increased if the first separation film 31 is positioned on the structure in contact with the second separation film 32 .
  • the second separator 32 When bonding the second separator 32 and the structure, when the flat pressing member 51 is used, the second separator 32 may be folded and a defect may occur. may be desirable.
  • the roller-type pressing member 52 moves outward from the center of the structure starting from the position where the left and right ends of the second separator 32 come into contact with the top or bottom of the structure and bonds the second separator 32 to the structure. do.
  • the roller-shaped pressing member 52 comes into contact with the left and right ends of the second separator 32 and is fixed to the top or bottom of the structure, the second separator 32 is adsorbed in the left and right directions of the structure. If the second separator 32 is held flat at the portion where the roller passes, the second separator 32 is not folded and can be effectively bonded to the structure.
  • a step of adjusting the left and right margins of the second separator 32 surrounding the structure is vertically joined to meet the standard of the structure.
  • the first separator 31 protruding left and right from the positive electrode 10 and the negative electrode 20 is spaced apart to the extent that it is not folded in the vertical direction.
  • the second separation membrane is bonded using the primary pressing member 60 that moves to the .
  • the bonding of the second separator is performed under pressure conditions of 10 to 20 tons, specifically 13 to 20 tons, more specifically 15 to 20 tons per unit area of 150 mm ⁇ 550 mm, and 70 ° C to 100 ° C, specifically 75 ° C to 20 tons.
  • the first pressing member 60 is separated from the pressing member 60 in a wider range when the pressing member moves in the direction of bonding the second separator 32.
  • the side of the pressing member 60 may be formed obliquely so that the two separation membranes 32 may come into contact with each other. This shape can reduce the possibility that the second separation membrane 32 is damaged by the primary pressing member 60 when the primary pressing member 60 passes close to the first separation membrane 31 .
  • the left and right ends of the second separator 32 when bonding the second separator 32, when the left and right ends of the second separator 32 are located on the left or right side of the structure, the left and right ends of the second separator 32 It may be preferable to bond the second separator 32 up and down based on the meeting position, and bond the opposite side up and down at a position horizontal to the position. If the position where the left and right ends of the second separator 32 do not meet is used as a reference, the second separator may be unnecessarily wasted, and if the bonding position on the opposite side is not aligned with the position, the primary pressing member moves during bonding. Accordingly, the possibility of damage to the second separator increases.
  • the left and right ends of the second separator 32 when bonding the second separator 32, when the left and right ends of the second separator 32 are located on the left or right side of the structure, the left and right ends of the second separator 32 It may be preferable to bond the second separator 32 up and down based on the meeting position, and bond the opposite side up and down at a position horizontal to the position. In this case, since the lower pressing member 62 can bond the second separation membrane 32 by moving only the upper pressing member 61 while the position is fixed, the possibility of damage to the second separation membrane is reduced.
  • the bonding of the second separator is performed at a pressure condition of 0.1 MPa to 0.5 MPa, specifically 0.2 MPa to 0.5 MPa, more specifically 0.2 MPa to 0.4 MPa, and 70 ° C to 100 ° C, specifically 75 ° C to 100 ° C, more specifically It is performed under a temperature condition of 80 ° C to 100 ° C, and a heated pressing member 70 may be used to meet the temperature condition.
  • a pressure condition of 0.1 MPa to 0.5 MPa, specifically 0.2 MPa to 0.5 MPa, more specifically 0.2 MPa to 0.4 MPa, and 70 ° C to 100 ° C, specifically 75 ° C to 100 ° C, more specifically It is performed under a temperature condition of 80 ° C to 100 ° C, and a heated pressing member 70 may be used to meet the temperature condition.

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Abstract

양극(10), 제1 분리막(31) 및 음극(20)이 반복적으로 적층된 구조체에 좌우방향으로 길이가 연장된 제2 분리막(32)을 도입하여 구조체를 감싸는 단계, 도입된 제2 분리막(32)을 포함하는 구조체의 상단 및 하단을 동시에 가압하여 분리막과 전극 간의 접착력을 강화하는 단계, 구조체를 감싸는 제2 분리막(32)의 좌우 여분을 상하로 접합하여 구조체의 규격에 맞게 조절하는 단계, 및 접합된 제2 분리막(32)을 좌우로 접합하여 고정하는 단계를 포함하는 전극 조립체 제조공정을 제공한다. 상기 전극 조립체 제조공정은 양극, 분리막 및 음극이 반복적으로 적층된 최초 구조체에 대한 영향을 최소화하면서도 상기 구조체의 크기에 알맞게 랩핑을 가능하게 하여, 전극 조립체의 활용 가치를 높일 수 있다.

Description

전극 조립체 제조공정
본 발명은 전극 조립체 제조공정에 관한 것이다. 본 출원은 2021년 6월 22일자 한국 특허 출원 제10-2021-0080730호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로서 포함한다.
이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차전지는 전지 케이스(파우치, 캔 등)에 전극 조립체가 내장되어 구성된다. 전지 케이스의 내부에 장착되는 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어져 반복적인 충방전이 가능하다.
종래에는 전극 조립체 중에서 라미네이션 앤 스택킹(Lamination & Stacking) 공정으로 전극 조립체를 제조하였으며, 구체적으로는, 양극, 분리막, 음극, 분리막이 적층되어 구성된 모노셀이 복수 개 적층된 후, 적층된 구조체를 테이프로 고정한다. 라미네이션 앤 스택킹 방식은 양극, 분리막, 음극, 분리막이 롤 형태로 권취된 상태에서 연속적으로 권출되어 공급되되, 상기 분리막에서 일정한 크기로 양극과 음극이 절단되어 이동되고, 라미네이팅 장치를 지나게 된다. 이 때, 상기 양극 및 음극은 양극 집전체 및 음극 집전체의 양면에 각각 양극 활물질 및 음극 활물질이 도포된 상태이다. 상기 라미네이팅 장치를 지나는 동안, 양극, 분리막, 음극 각각의 사이는 열과 압력에 의해 접착이 이루어지게 되고, 접착된 상태에서 이웃하는 양극과 양극 사이(이웃하는 음극과 음극 사이)를 절단하여 위에서부터 양극, 분리막, 음극, 분리막 순서로 적층된 하나의 모노셀이 연속적으로 제조된다. 상기 모노셀은 미리 정해진 개수만큼 적층되어 전극 조립체로 제조되되, 적층이 완료되면 고정이 이루어지게 테이프의 각 끝단이 최상층의 모노셀과 최하층의 모노셀 각각에 접착된다. 하지만, 이와 같은 테이프를 이용한 모노셀의 고정 방식은 테이프의 끝단이 최상층과 최하층에서 추가적으로 돌출되어 두께 차이를 발생시킨다. 또한, 상기 테이프가 부착될 때, (안정성을 위해 상대적으로 양극보다 더 크게 절단된) 음극의 테두리 일부가 접히는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같이, 두께 차이와 음극의 접힘은 내부 저항을 증가시키며, 전극의 퇴화를 가속시킬 가능성이 있다.
이에, 본 발명자는 상술한 문제를 해결할 수 있는 전극 조립체 제조공정에 대해 연구하여 본 발명을 완성하였다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1373218호
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 개시는 양극, 분리막 및 음극이 반복적으로 적층된 구조체의 상단 및 하단 중 하나 이상에 좌우방향으로 길이가 연장된 분리막을 도입하여 구조체를 랩핑(Wrapping)하는 전극 조립체 제조공정을 제공하고자 한다.
본 개시의 제1 측면에 따르면,
본 개시는 (1) 양극(10), 제1 분리막(31) 및 음극(20)이 반복적으로 적층된 구조체에 좌우방향으로 길이가 연장된 제2 분리막(32)을 도입하여 구조체를 감싸는 단계, (2) 도입된 제2 분리막(32)을 포함하는 구조체의 상단 및 하단을 동시에 가압하여 분리막과 전극 간의 접착력을 강화하는 단계, (3) 구조체를 감싸는 제2 분리막(32)의 좌우 여분을 상하로 접합하여 구조체의 규격에 맞게 조절하는 단계; 및 (4) 접합된 제2 분리막(32)을 좌우로 접합하여 고정하는 단계를 포함하는 전극 조립체 제조공정을 제공한다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 (1) 단계에서 좌우방향으로 길이가 연장된 제2 분리막(32)은 구조체의 상단 및 하단 중 하나 이상에 도입된다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 구조체를 구성하는 제1 분리막(31)은 양극(10) 및 음극(20)으로부터 좌우로 돌출된 부분을 접어 이웃하는 분리막 중 하나와 접한다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 제2 분리막(32)의 길이는 감싸고자 하는 적층 구조체의 둘레방향 길이보다 1.5배 내지 2.5배 더 길다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 (1) 단계에서 도입된 제2 분리막(32)으로 구조체를 감쌀 때, 구조체의 좌측방향 및 우측방향 중 하나 이상에서 제2 분리막(32)을 흡착하여 구조체의 측면 상에 여분 공간을 확보한다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 (1) 단계에서 도입된 제2 분리막(32)으로 구조체를 감쌀 때, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단은 구조체의 상단 또는 하단에 접하도록 위치한다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 (2) 단계에서 구조체의 상단 및 하단을 가압할 때, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 구조체의 상단 또는 하단에 접하는 부분은 롤러를 이용하여 구조체의 중심에서 바깥쪽 방향으로 구조체의 상단 또는 하단과 접합한다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 제2 분리막이 접히지 않도록 롤러(52)가 제2 분리막(32)의 좌우 끝단에 접하여 구조체의 상단 또는 하단에 고정될 때, 구조체의 좌측방향 및 우측방향으로 제2 분리막(32)을 흡착하여 롤러가 지나갈 부분의 제2 분리막(32)을 평평하게 잡아준다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 (3) 단계에서 제2 분리막(32)을 접합할 때, 양극(10) 및 음극(20)으로부터 좌우로 돌출된 제1 분리막(31)이 접히지 않을 정도로 이격된 위치에서 상하방향으로 이동하는 1차 가압부재(60)를 이용하여 제2 분리막을 접합한다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 1차 가압부재(60)는 제2 분리막(32)을 접합하는 방향으로 가압부재가 이동 시 보다 넓은 범위에서 가압부재(60)와 제2 분리막(32)이 접할 수 있도록 가압부재의 측면은 비스듬하게 형성된다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 (3) 단계에서 제2 분리막(32)을 접합할 때, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 만나는 위치를 구조체의 좌측 또는 우측에 위치시키는 경우, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 만나는 위치를 기준으로 제2 분리막(32)을 상하로 접합하며, 반대측은 상기 위치와 수평한 위치에서 상하로 접합한다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 (2) 단계에서 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 구조체의 상단 또는 하단과 접합하는 경우, 상기 (3) 단계에서 제2 분리막(32)의 좌우 여분은 제2 분리막(32)이 접합된 구조체의 상단 또는 하단과 수평한 위치에서 상하로 접합한다.
본 개시의 일 구체예에 있어서, 상기 (4) 단계에서 제2 분리막(32)을 접합할 때, 상기 (3) 단계에서 접합된 제2 분리막(32)을 구조체의 측면을 덮는 제2 분리막(32)과 접하도록 분리막을 수직방향으로 접은 후 좌우방향으로 이동하는 2차 가압부재(70)를 이용하여 분리막을 접합한다.
본 개시의 제2 측면에 따르면,
상술한 전극 조립체 제조공정에 따라 제조된 전극 조립체를 제공한다.
본 개시의 전극 조립체 제조공정에 따라 전극 조립체를 제조하는 경우, 분리막 접힘 및 찢김 등 공정성 불량을 해결할 수 있고, 전극 조립체의 랩핑 시 좌우방향으로 길이가 연장된 분리막을 사용하고, 열 또는 압착을 통해 마감 처리를 하여 접착 시 테이프를 사용함으로써 발생할 수 있는 전지 성능 저하를 방지하면서, 전극 조립체의 두께를 감소시켜 전지 성능 개선을 유도할 수 있다.
또한, 본 개시의 전극 조립체 제조공정은 무엇보다도 양극, 분리막 및 음극이 반복적으로 적층된 최초 구조체에 대한 영향을 최소화하면서도 상기 구조체의 크기에 알맞게 랩핑을 가능하게 하여, 전극 조립체의 활용 가치를 높일 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시의 전극 조립체 제조공정에 적용되는 예시적인 적층 구조체를 나타낸 도면이다. 도 1a의 적층 구조체와 비교하여, 도 1b의 적층 구조체는 양극 및 음극으로부터 좌우로 돌출된 분리막 부분이 접혀 이웃하는 분리막 중 하나와 접하는 구조를 갖는다.
도 2a 및 도 2b는 본 개시의 전극 조립체 제조공정에 따라 제조된 예시적인 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 3e는 도 1a의 적층 구조체를 이용한 본 개시의 예시적인 전극 조립체 제조공정을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 도 1b의 적층 구조체를 이용한 본 개시의 예시적인 전극 조립체 제조공정을 순서대로 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 개시의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 구체예와 도면에 도시된 구성은 본 개시의 가장 바람직한 일 구체예에 불과하고 본 개시의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 개시는 전극 조립체 제조공정에 관한 것이며, 상기 제조공정은 양극, 제1 분리막 및 음극이 반복적으로 적층된 구조체에 좌우방향으로 길이가 연장된 제2 분리막을 도입하여 구조체를 감싸는 단계, 도입된 제2 분리막을 포함하는 구조체의 상단 및 하단을 동시에 가압하여 분리막과 전극 간의 접착력을 강화하는 단계, 구조체를 감싸는 제2 분리막의 좌우 여분을 상하로 접합하여 구조체의 규격에 맞게 조절하는 단계, 접합된 제2 분리막을 좌우로 접합하여 고정하는 단계를 포함한다. 본 명세서에서는 본 개시에 따른 전극 조립체 제조공정에 대한 이해를 돕기 위해, 도면을 제공하며, 본 명세서에서 상하좌우의 방향은 도면을 참조한다.
먼저, 본 개시에 따른 전극 조립체 제조공정은 양극(10), 제1 분리막(31) 및 음극(20)이 반복적으로 적층된 구조체에 좌우방향으로 길이가 연장된 제2 분리막(32)을 도입하여 구조체를 감싸는 단계를 포함한다. 상기 단계는 본 명세서의 도 3a, 도 3b, 도 4a 및 도 4b를 참조하지만, 이에 제한되지는 않는다. 본 명세서에서 분리막(30)은 기능에 따라서 제1 분리막(31)과 제2 분리막(32)으로 나뉘어 설명되며, 상기 제1 분리막(31)은 적층 구조체의 구성요소이며, 상기 제2 분리막(32)은 적층 구조체를 랩핑하기 위해 도입된 전극 조립체의 구성요소이다.
제1 분리막(31)과 제2 분리막(32)은 크기로도 구분될 수 있으며, 제2 분리막(32)은 기본적으로 적층 구조체를 둘레방향으로 감쌀 정도의 크기를 가져야 한다. 본 개시에 따른 전극 조립체 제조공정에서는 제2 분리막(32)이 충분한 여분의 길이를 가진 채로 적층 구조체를 1차적으로 감싼 후에, 여분의 제2 분리막(32)을 상하로 접합하여 2차로 구조체의 규격에 맞게 조절하기 때문에, 제2 분리막(32)은 적층 구조체의 둘레방향 길이보다 일정 수준 이상 더 길 수 있다. 본 개시의 일 구체예에 따르면, 제2 분리막(32)의 길이는 적층 구조체의 둘레방향 길이보다 1.5배 내지 2.5배, 구체적으로 1.5배 내지 2.3배, 보다 구체적으로 1.8배 내지 2.3배 더 길 수 있다. 여기서 적층 구조체의 둘레방향 길이는 구조체의 상단 또는 하단에서 좌우방향으로 길이가 연장된 제2 분리막(32)으로 적층 구조체를 감쌀 때, 양극(10) 및 음극(20)으로부터 좌우로 돌출된 제1 분리막(31)의 형태를 변형시키지 않으면서, 제2 분리막(32)이 적층 구조체를 감싸서 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 서로 접할 수 있는 최소한의 길이를 의미한다. 제2 분리막(32)의 길이가 1.5배보다 더 짧다면, 제2 분리막(32)의 좌우 여분을 상하로 접합할 수 있을 정도로 충분한 길이를 확보할 수 없으며, 제2 분리막(32)의 길이가 2.5배보다 더 길다면, 제2 분리막(32)의 좌우 여분이 지나치게 많이 남아 제2 분리막(32)을 상하로 접합한 부분을 효과적으로 정리하기 어렵다.
제1 분리막(31)과 제2 분리막(32)은 동일한 소재를 사용하기 때문에 소재적으로는 구분되지 않는다. 상기 제1 분리막(31)과 제2 분리막(32) 소재는 이차전지용 분리막 소재로 해당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 것이면, 제한 없이 사용될 수 있고, 예시적으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 고분자가 사용될 수 있다.
제2 분리막(32)은 구조체의 상단 및 하단 중 하나 이상에 도입되어 구조체를 감싼다. 제2 분리막(32)은 2개로 분리되어 상단 및 하단 각각에 도입될 수 있으나 1개로 도입되는 것이 공정성을 높일 수 있다.
상술한 제1 분리막(31)과 함께 양극(10) 및 음극(20)을 반복적으로 적층하여 제2 분리막(32)가 감쌀 구조체를 형성하며, 이 때, 제1 분리막(31)은 양극(10)과 음극(20) 사이에 개재된다. 상기 양극(10)은 양극 집전체(12)의 양면에 양극 활물질(11)을 도포하여 형성하며, 상기 음극(20)은 음극 집전체(22)의 양면에 음극 활물질(21)을 도포하여 형성한다. 상기 양극 활물질(11), 양극 집전체(12), 음극 활물질(21) 및 음극 집전체(22) 소재는 이차전지용 전극 소재로 해당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 것이면, 제한 없이 사용될 수 있다.
적층 구조체에서 일반적으로 제1 분리막(31)은 도 1a에서와 같이 양극(10) 및 음극(20)으로부터 좌우로 돌출되어 있다. 이러한 형태로 인해, 제2 분리막(32)로 적층 구조체를 감쌀 때, 적층 구조체의 측면에서는 제2 분리막(32)는 제1 분리막(31)과 접할 수 있다. 제2 분리막(32)을 너무 타이트하게 감싸는 경우, 제1 분리막(31)의 손상과 함께 양극(10) 또는 음극(20)과 제1 분리막(31)의 접착 부위의 품질이 저하될 수 있다. 도 1b에서와 같이 양극(10) 및 음극(20)으로부터 좌우로 돌출된 제1 분리막(31) 부분을 접으면, 상술한 문제를 어느 정도 해소할 수 있으며, 이 때, 접은 제1 분리막(31)의 끝단을 이웃하는 제1 분리막(31) 중 하나와 접하도록 한다면, 제1 분리막(31) 구조의 안정성을 높일 수 있다.
도 3b에서와 같이, 제2 분리막(32)으로 구조체를 감쌀 때, 구조체의 좌측방향 및 우측방향 중 하나 이상에 흡착부재(40)를 위치시켜 제2 분리막(32)을 흡착하여 구조체의 측면 상에 여유 공간을 충분히 확보한다면, 공정성을 높일 수 있다. 상기 흡착부재(40)은 진공흡착방식을 이용하여 공기압의 조절을 통해 흡착 및 탈착이 용이하며, 흡착 시 공기압은 일정 수준 이상의 흡착력을 유지하면서 제2 분리막(32)가 손상되지 않을 정도로 조절된다.
상술한 단계 이 후, 도입된 제2 분리막(32)을 포함하는 구조체의 상단 및 하단을 동시에 가압하여 분리막과 전극 간의 접착력을 강화하는 단계를 거친다. 도 3c 및 도 4b에서와 같이, 가압은 구조체의 상측방향 및 하측방향에 위치한 가압부재(50)을 통해 이루어지며, 상기 가압부재(50)는 제2 분리막(32)을 포함하는 구조체의 상단 및 하단을 150mm×550mm의 단위면적당 10톤 내지 20톤, 구체적으로 13톤 내지 20톤, 보다 구체적으로 15톤 내지 20톤의 압력조건으로 가압한다. 상기 압력조건 하에 가압 시, 구조체를 붕괴시키지 않으면서, 구조체의 각 층간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
도 3b에서와 같이, 제2 분리막(32)으로 구조체를 감쌀 때, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단은 구조체의 상단 또는 하단에 접하도록 위치시킬 수 있는데, 이 경우에는 제2 분리막(32)의 좌우 끝단을 구조체의 상단 또는 하단과 접합하여 고정시킬 필요가 있다. 제2 분리막(32)와 구조체를 접합 시, 제2 분리막(32)와 접하는 구조체에는 제1 분리막(31)이 위치하는 것이 접합 효율을 높일 수 있다. 상기 제2 분리막과 구조체의 접합은 150mm×550mm의 단위면적당 10톤 내지 20톤, 구체적으로 13톤 내지 20톤, 보다 구체적으로 15톤 내지 20톤의 압력조건과 70℃ 내지 100℃, 구체적으로 75℃ 내지 100℃, 보다 구체적으로 80℃ 내지 100℃의 온도조건 하에 수행되며, 온도조건을 맞추기 위해 가열된 가압부재(50)가 이용될 수 있다. 상기 온도조건으로 가열된 부재로 가압 시, 상기 부재 근처의 제2 분리막과 구조체를 효과적으로 접합할 수 있다.
제2 분리막(32)와 구조체를 접합 시, 평평한 형태의 가압부재(51)를 활용하는 경우, 제2 분리막(32)이 접혀 불량이 발생할 수 있기 때문에, 롤러 형태의 가압부재(52)를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 롤러 형태의 가압부재(52)는 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 구조체의 상단 또는 하단에 접하는 위치를 기점으로 구조체의 중심에서 바깥쪽 방향으로 이동하며 제2 분리막(32)와 구조체를 접합한다. 이 때, 롤러 형태의 가압부재(52)가 제2 분리막(32)의 좌우 끝단에 접하여 구조체의 상단 또는 하단에 고정될 때, 구조체의 좌측방향 및 우측방향으로 제2 분리막(32)을 흡착하여 롤러가 지나갈 부분의 제2 분리막(32)을 평평하게 잡아준다면, 제2 분리막(32)이 접히지 않고, 효과적으로 구조체에 접합할 수 있다.
상술한 단계 이 후, 구조체를 감싸는 제2 분리막(32)의 좌우 여분을 상하로 접합하여 구조체의 규격에 맞게 조절하는 단계를 거친다. 도 3d 및 도 4c 에서와 같이, 제2 분리막(32)을 접합할 때, 양극(10) 및 음극(20)으로부터 좌우로 돌출된 제1 분리막(31)이 접히지 않을 정도로 이격된 위치에서 상하방향으로 이동하는 1차 가압부재(60)를 이용하여 제2 분리막을 접합한다. 상기 제2 분리막의 접합은 150mm×550mm의 단위면적당 10톤 내지 20톤, 구체적으로 13톤 내지 20톤, 보다 구체적으로 15톤 내지 20톤의 압력조건과 70℃ 내지 100℃, 구체적으로 75℃ 내지 100℃, 보다 구체적으로 80℃ 내지 100℃의 온도조건 하에 수행되며, 온도조건을 맞추기 위해 가열된 가압부재(60)가 이용될 수 있다. 상기 온도조건으로 가열된 부재로 가압 시, 상기 부재 근처의 제2 분리막을 효과적으로 접합할 수 있다.
도 3d의 1차 상부 가압부재(61)에서와 같이, 1차 가압부재(60)는 제2 분리막(32)을 접합하는 방향으로 가압부재가 이동 시 보다 넓은 범위에서 가압부재(60)와 제2 분리막(32)이 접할 수 있도록 가압부재(60)의 측면은 비스듬하게 형성될 수 있다. 이러한 형상은 특히 1차 가압부재(60)이 제1 분리막(31)에 가까운 위치로 지나갈 때, 제2 분리막(32)가 1차 가압부재(60)에 의해 손상될 가능성을 줄여줄 수 있다.
도 4c에서와 같이, 제2 분리막(32)을 접합할 때, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 만나는 위치를 구조체의 좌측 또는 우측에 위치시키는 경우, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 만나는 위치를 기준으로 제2 분리막(32)을 상하로 접합하며, 반대측은 상기 위치와 수평한 위치에서 상하로 접합하는 것이 바람직할 수 있다. 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 만나지 않는 위치를 기준으로 한다면, 제2 분리막이 불필요하게 낭비될 수 있고, 반대측의 접합 위치를 상기 위치와 수평하게 맞추지 않는다면, 접합 시 1차 가압부재의 이동에 따라 제2 분리막에 손상이 발생할 가능성이 높아진다.
도 3d에서와 같이, 제2 분리막(32)을 접합할 때, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 만나는 위치를 구조체의 좌측 또는 우측에 위치시키는 경우, 제2 분리막(32)의 좌우 끝단이 만나는 위치를 기준으로 제2 분리막(32)을 상하로 접합하며, 반대측은 상기 위치와 수평한 위치에서 상하로 접합하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 하부 가압부재(62)는 위치를 고정해 놓은 상태에서 상부 가압부재(61)만 이동시켜 제2 분리막(32)을 접합할 수 있기 때문에, 제2 분리막에 손상이 발생할 가능성이 낮아진다.
상술한 단계 이 후, 접합된 제2 분리막(32)을 좌우로 접합하여 고정하는 단계를 거쳐 전극 조립체를 완성한다. 도 3e 및 도 4d에서와 같이, 이전 단계에서 접합된 제2 분리막(32)을 구조체의 측면을 덮는 제2 분리막(32)과 접하도록 분리막을 수직방향으로 접은 후 좌우방향으로 이동하는 2차 가압부재(70)를 이용하여 분리막을 접합한다. 상기 제2 분리막의 접합은 0.1MPa 내지 0.5MPa, 구체적으로 0.2MPa 내지 0.5MPa, 보다 구체적으로 0.2MPa 내지 0.4MPa의 압력조건과 70℃ 내지 100℃, 구체적으로 75℃ 내지 100℃, 보다 구체적으로 80℃ 내지 100℃의 온도조건 하에 수행되며, 온도조건을 맞추기 위해 가열된 가압부재(70)가 이용될 수 있다. 상기 압력조건 및 온도조건 하에 가압 시, 구조체는 붕괴시키지 않으면서 제2 분리막을 효율적으로 접합할 수 있다. 제2 분리막을 좌우로 접합하여 고정하는 경우, 전극 조립체가 이후에 전지 케이스나 파우치에 적용 시 효율을 높일 수 있다. 이전 단계와 달리, 본 단계에서의 접합은 전체적으로 강한 접합이 요구되는 것은 아니며, 제1 분리막과 수직방향으로 2차 가압부재를 이동시켜 접합을 해야 되기 때문에 압력보다는 온도에 의존하여 접합을 수행한다.
본 개시는 상술한 전극 조립체 제조공정에 따라 제조된 전극 조립체를 제공한다. 도 2a 및 도 2b는 본 개시의 전극 조립체 제조공정에 따라 제조된 예시적인 전극 조립체를 나타낸다. 도 2b와 같이, 사용자의 필요에 따라 구조체의 측면과 제2 분리막 사이에 여분의 공간을 확보할 수도 있다.
이상에서 본 개시는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 개시는 이것에 의해 한정되지 않으며 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 개시의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
10: 양극
11: 양극 활물질층
12: 양극 집전체
20: 음극
21: 음극 활물질층
22: 음극 집전체
30: 분리막
31: 적층용 분리막(제1 분리막)
32: 랩핑용 분리막(제2 분리막)
40: 분리막용 흡착부재
41: 분리막용 좌측 흡착부재
42: 분리막용 우측 흡착부재
50: 전극 조립체용 가압부재
51: 전극 조립체용 상부 가압부재
52: 전극 조립체용 하부 가압부재
60: 분리막용 1차 가압부재
61: 분리막용 1차 상부 가압부재
62: 분리막용 1차 하부 가압부재
70: 분리막용 2차 가압부재
71: 분리막용 2차 좌측 가압부재
72: 분리막용 2차 우측 가압부재

Claims (13)

  1. (1) 양극, 제1 분리막 및 음극이 반복적으로 적층된 구조체에 좌우방향으로 길이가 연장된 제2 분리막을 도입하여 구조체를 감싸는 단계;
    (2) 도입된 제2 분리막을 포함하는 구조체의 상단 및 하단을 동시에 가압하여 분리막과 전극 간의 접착력을 강화하는 단계;
    (3) 구조체를 감싸는 제2 분리막의 좌우 여분을 상하로 접합하여 구조체의 규격에 맞게 조절하는 단계; 및
    (4) 접합된 제2 분리막을 좌우로 접합하여 고정하는 단계를 포함하고,
    상기 (1) 단계에서 좌우방향으로 길이가 연장된 제2 분리막은 구조체의 상단 및 하단 중 하나 이상에 도입되는 전극 조립체 제조공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구조체를 구성하는 제1 분리막은 양극 및 음극으로부터 좌우로 돌출된 부분을 접어 이웃하는 분리막 중 하나와 접하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 분리막의 길이는 감싸고자 하는 적층 구조체의 둘레방향 길이보다 1.5배 내지 2.5배 더 긴 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (1) 단계에서 도입된 제2 분리막으로 구조체를 감쌀 때, 구조체의 좌측방향 및 우측방향 중 하나 이상에서 제2 분리막을 흡착하여 구조체의 측면 상에 여분 공간을 확보하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 (1) 단계에서 도입된 제2 분리막으로 구조체를 감쌀 때, 제2 분리막의 좌우 끝단은 구조체의 상단 또는 하단에 접하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 (2) 단계에서 구조체의 상단 및 하단을 가압할 때, 제2 분리막의 좌우 끝단이 구조체의 상단 또는 하단에 접하는 부분은 롤러를 이용하여 구조체의 중심에서 바깥쪽 방향으로 구조체의 상단 또는 하단과 접합하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 분리막이 접히지 않도록 롤러가 제2 분리막의 좌우 끝단에 접하여 구조체의 상단 또는 하단에 고정될 때, 구조체의 좌측방향 및 우측방향으로 제2 분리막을 흡착하여 롤러가 지나갈 부분의 제2 분리막을 평평하게 잡아주는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 (3) 단계에서 제2 분리막을 접합할 때, 양극 및 음극으로부터 좌우로 돌출된 제1 분리막이 접히지 않을 정도로 이격된 위치에서 상하방향으로 이동하는 1차 가압부재를 이용하여 제2 분리막을 접합하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 1차 가압부재는 제2 분리막을 접합하는 방향으로 가압부재가 이동 시 보다 넓은 범위에서 가압부재와 제2 분리막이 접할 수 있도록 가압부재의 측면은 비스듬하게 형성된 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 (3) 단계에서 제2 분리막을 접합할 때, 제2 분리막의 좌우 끝단이 만나는 위치를 구조체의 좌측 또는 우측에 위치시키는 경우, 제2 분리막의 좌우 끝단이 만나는 위치를 기준으로 제2 분리막을 상하로 접합하며, 반대측은 상기 위치와 수평한 위치에서 상하로 접합하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 (2) 단계에서 제2 분리막의 좌우 끝단이 구조체의 상단 또는 하단과 접합하는 경우, 상기 (3) 단계에서 제2 분리막의 좌우 여분은 제2 분리막이 접합된 구조체의 상단 또는 하단과 수평한 위치에서 상하로 접합하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 (4) 단계에서 제2 분리막을 접합할 때, 상기 (3) 단계에서 접합된 제2 분리막을 구조체의 측면을 덮는 제2 분리막과 접하도록 분리막을 수직방향으로 접은 후 좌우방향으로 이동하는 2차 가압부재를 이용하여 분리막을 접합하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조공정.
  13. 청구항 1의 전극 조립체 제조공정에 따라 제조된 전극 조립체.
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