WO2023204412A1 - 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법 - Google Patents

라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법 Download PDF

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WO2023204412A1
WO2023204412A1 PCT/KR2023/002168 KR2023002168W WO2023204412A1 WO 2023204412 A1 WO2023204412 A1 WO 2023204412A1 KR 2023002168 W KR2023002168 W KR 2023002168W WO 2023204412 A1 WO2023204412 A1 WO 2023204412A1
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pressure
electrode
roller
control unit
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PCT/KR2023/002168
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조규만
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a lamination device and a unit cell manufacturing method, and relates to a lamination device and a unit cell manufacturing method that can prevent damage to the separator and reduce the defect rate of the unit cell.
  • secondary batteries include an anode, a cathode, and an electrolyte, and generate electrical energy using a chemical reaction.
  • the use of secondary batteries is gradually increasing due to the advantage of being able to charge and discharge.
  • lithium secondary batteries have a high energy density per unit weight, so they are widely used as a power source for electronic communication devices or as a driving source for high-output hybrid vehicles and electric vehicles.
  • lithium secondary batteries such as lithium-ion batteries and lithium-ion polymer batteries with high energy density, discharge voltage, and output stability is increasing.
  • the electrode sheet is supplied to the notching module, and the notching module forms electrode tabs with the same gap on one side of the electrode sheet in the width direction.
  • the electrode sheet on which the electrode tabs are formed is wound again on the rewinder.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 2328527 discloses a lamination device.
  • the lamination device an electrode sheet wound on two electrode rolls and a separator sheet wound on two separator rolls are supplied.
  • the first cutter section cuts the first electrode sheet to form the first electrode and then stacks it between a pair of separator sheets
  • the second cutter section cuts the second electrode sheet to form the second electrode and then forms the second electrode.
  • the second electrode is stacked in one-to-one correspondence with the first electrode on the upper separator sheet.
  • the electrode laminate in which the cut first electrode and the second electrode are stacked on a separator sheet, is supplied to the heater unit of the laminator and the laminating roller.
  • the heater unit heats the electrode laminate, and the lammie roller presses the electrode laminate to fit together.
  • a third cutter unit installed on the downstream side of the lamination roller cuts the separator sheet portion between a pair of adjacent electrodes to form a monocell.
  • a vision device is installed downstream of the laminator to inspect the monocell. The vision device inspects changes in the position of the electrodes attached to the separator or distortion of the electrodes.
  • the lamination roller always presses the electrode stack with the same pressure, and the electrodes on the top layer of the electrode stack are stacked with a step difference from the separator sheet. Accordingly, an impact is applied to the edge of the electrode every time the edge of the electrode contacts the lamy roller. Moreover, in order to increase the productivity of the secondary battery, as the transfer speed of the electrode stack increases, the impact applied to the edge portion of the electrode may become greater. The part of the separator sheet corresponding to the edge of the electrode or its vicinity may be damaged due to excessive impact. Accordingly, the defect rate of monocells may increase.
  • the level difference between the electrode and the separator sheet increases, which may further increase the impact force between the laminate roller and the electrode.
  • the possibility of damage to the separator sheet may further increase even if the same impact force is applied to the electrode. Even in this case, the defect rate of the monocell may increase.
  • the thickness of the electrodes laminated on the electrode laminate may vary depending on processing errors of the current collector, coating errors of the active material, stacking errors of the electrode and the separator sheet, etc.
  • the lamination roller presses the electrode stack at a constant pressure since the lamination roller presses the electrode stack at a constant pressure, the possibility of damage to the separator sheet may increase when electrodes of different thicknesses are pressed against the lamination roller.
  • the vision device simply inspects whether the monocell is defective, it is difficult to check whether the separator sheet is damaged while the electrode stack is laminated.
  • the lamination device investigates the cause of the defect, so the defect rate of the monocell inevitably increases.
  • the present invention was developed to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a lamination device and a unit cell manufacturing method that can prevent damage to the separator and reduce the defect rate of the unit cell.
  • the purpose of the present invention is to provide a lamination device and a unit cell manufacturing method that can correct the pressure of the lamination roller unit in real time according to the brightness value of the image captured in the vision unit.
  • the purpose of the present invention is to provide a lamination device and a unit cell manufacturing method that can prevent the separator sheet from being damaged or excessively pressed in real time while the electrode stack is laminated.
  • the purpose of the present invention is to provide a lamination device and a unit cell manufacturing method that can significantly alleviate the impact of electrodes of different thicknesses and lamination roller parts in an electrode laminate.
  • the purpose of the present invention is to provide a lamination device and a unit cell manufacturing method that can significantly reduce the possibility of damage to the separator by alleviating the impact applied to the separator even if the thickness of the separator in the unit cell is reduced.
  • the lamination device of the present invention includes a vision unit disposed on the downstream side of the final cutter unit and taking an image of the unit cell; And a control unit that calculates a brightness value of the captured image received from the vision unit and controls the pressure adjusting unit to correct the pressure of the Ramie roller unit according to the calculated brightness value.
  • the vision unit may be disposed below the unit cell to photograph the unit cell.
  • the control unit may calculate a calculated brightness value corresponding to a portion of the separator in contact with an edge portion of the electrode from the calculated image.
  • An allowable brightness range for the calculated brightness value may be set in advance in the control unit.
  • control unit may control the pressure adjusting unit to correct the pressure of the laminate roller unit.
  • the vision unit may capture images of the unit cells in real time, and the control unit may correct the pressure of the laminate roller unit in real time.
  • the control unit may correct the pressure of the lamination roller unit based on the largest pressure among the pressures with which the lamination roller unit presses the electrode laminate.
  • the control unit includes a vision control unit that receives the image captured by the vision unit; And an automatic system that calculates the calculated brightness value by calculating the image received from the vision control unit, and controls the pressure adjusting unit to correct the pressure of the laminate roller unit when it is determined that the calculated brightness value is outside a preset allowable brightness range. It may include a control unit.
  • the initial pressure value of the pressure regulator may be set in advance in the control unit.
  • the ramie roller unit may include an upper ramie roller and a lower ramie roller.
  • the lower lamination roller is fixed to the lower side of the separator sheet, and the pressure regulator may be connected to the upper lamination roller to raise and lower the upper lamination roller.
  • the lamination device may further include an alarm unit that generates a warning sound when it is determined that the calculated brightness value is outside the allowable brightness range even after correcting the pressure of the lamination roller unit.
  • the unit cell manufacturing method according to the present invention includes a lamination step, a cutting step, and a pressure compensation step.
  • the lamination roller unit compresses the electrode laminate to stack the separator sheet and the electrode.
  • the final cutter unit cuts the electrode stack to form a unit cell.
  • the vision unit captures an image of the unit cell.
  • control unit calculates a brightness value by calculating the captured image received from the vision unit, and controls the pressure adjustment unit to correct the pressure of the laminate roller unit to the calculated brightness value.
  • the vision unit may capture an image of the unit cell from a lower part of the unit cell.
  • the control unit may calculate a calculated brightness value corresponding to a portion of the separator in contact with an edge portion of an electrode of the unit cell from the calculated image.
  • An allowable brightness range for the calculated brightness value may be set in advance in the control unit.
  • control unit may control the pressure adjusting unit to correct the pressure of the laminate roller unit.
  • the vision unit may capture images of the unit cells in real time, and the control unit may correct the pressure of the laminate roller unit in real time.
  • the control unit may correct the pressure of the lamination roller unit based on the largest pressure among the pressures with which the lamination roller unit presses the electrode laminate.
  • the initial pressure value of the pressure regulator may be set in advance in the control unit.
  • the pressure adjusting unit may correct the pressure by raising and lowering the upper ramming roller of the ramming roller unit.
  • the unit cell manufacturing method may further include the step of generating an alarm sound when the calculated brightness value is determined to be outside the allowable brightness range even after correcting the pressure of the laminate roller unit.
  • the pressure of the lamination roller unit is corrected in real time according to the brightness value of the image captured in the vision unit, so that the separator sheet can be prevented in real time from being damaged or excessively pressed while the electrode stack is laminated. Accordingly, the defect rate of unit cells can be significantly reduced.
  • the pressure of the laminated roller unit is corrected in real time according to the brightness value of the photographed image of the unit cell, so that the impact of the laminated roller unit and the electrodes of different thicknesses in the electrode stack can be significantly alleviated. Accordingly, damage to the separator sheet can be minimized and the defect rate of the unit cell can be reduced.
  • the pressure of the Lamy roller unit is corrected in real time according to the brightness value of the image captured in the vision unit, so even if the thickness of the separator in the unit cell is reduced, the impact applied to the separator is alleviated, reducing the possibility of damage to the separator. can be significantly lowered.
  • the thickness of the electrode can be increased as the separator becomes thinner in a unit cell of the same thickness. Furthermore, battery capacity can be significantly increased in a battery package in which unit cells are stacked.
  • the alarm unit can generate a warning signal if the calculated brightness value is determined to be outside the allowable brightness range more than a certain number of times (for a certain period of time) even after automatically correcting the pressure of the laminate roller unit.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a lamination device according to the present invention.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing the vision section and the control section in the lamination device according to the present invention.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing a state in which the electrode stack is pressed by the lamination roller unit in the lamination device according to the present invention.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing a state in which the thickness of the separator sheet in the unit cell cut from the electrode laminate according to the present invention is formed to be thinner than that of the existing separator.
  • Figure 5 is a diagram schematically showing a state of taking an image of a non-additive unit cell according to the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing an automatic control unit constituting the control unit according to the present invention.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing an image of a unit cell captured by a vision unit according to the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a damaged portion of the second separator in the unit cell of FIG. 7.
  • Figure 9 is a diagram schematically showing a state in which a pressing mark is formed at the edge of the separator in a captured image of a unit cell according to the present invention.
  • Figure 10 is a flow chart schematically showing the manufacturing method of a unit cell according to the present invention.
  • Electrode stack 110 First electrode roll
  • first electrode sheet 120 second electrode roll
  • Second electrode sheet 130 Separator roll
  • Second separator sheet 133 Pinch roller
  • first cutter part 143 second cutter part
  • Ramie roller unit 153a Upper Ramie roller
  • Control unit 181 Vision control unit
  • program memory unit 188 output control unit
  • the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be subject to various changes and may be implemented in various different forms. This example is provided solely to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but substitutes or adds to the configuration of one embodiment and the configuration of another embodiment, as well as all changes and equivalents included in the technical spirit and scope of the present invention. It should be understood to include substitutes.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing a lamination device according to the present invention
  • Figure 2 is a diagram schematically showing a vision part and a control part in the lamination device according to the present invention
  • Figure 3 is a diagram schematically showing an electrode in the lamination device according to the present invention. It is a diagram schematically showing the state in which the laminate is pressed by the laminate roller unit
  • Figure 4 schematically shows the state in which the thickness of the separator sheet in the unit cell cut from the electrode laminate according to the present invention is formed to be thinner than that of the existing separator.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing an image (IM) of a unit cell taken by a vision device according to the present invention
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a state in which damage occurs in the second separator in the unit cell of FIG. 7. It is a cross-sectional view
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a state in which a pressing mark is formed on the edge of the separator in the captured image (IM) of the unit cell according to the present invention.
  • the vision unit 170 captures an image (IM) of the unit cell 10
  • the control unit 180 captures the captured image (IM).
  • the brightness value (IM) is calculated to correct the pressure of the laminate roller unit 153.
  • the pressure of the lamination roller unit 153 is corrected, the impact of the electrodes 11 and 12 attached to the electrode stack 102 and the lamination roller unit 153 is alleviated, thereby forming the separator sheet 131 or the electrode 11, 12) can be prevented from being damaged by impact of the ramie roller unit 153.
  • the control unit 180 corrects the pressure of the lamination roller unit 153 in real time and the vision unit 170 checks in real time whether the unit cell 10 is defective, the unit cell ( 10) The defect rate can be significantly reduced.
  • the unit cell 10 may be one of a mono-cell, bi-cell, or full cell.
  • a monocell refers to a cell with a structure in which a separator 13 is disposed on one outermost side and an electrode is disposed on the other outermost side.
  • a monocell may be formed by stacking a first separator 13a, a first electrode 11, a second separator 13b, and a second electrode 12.
  • a monocell may be composed of three or more electrodes and three or more separators 13 interposed between each electrode.
  • a bicell refers to a cell with a structure in which electrodes of the same polarity are placed on both outermost sides.
  • the bicell may be formed by stacking the first electrode 11, the first separator 13a, the second electrode 12, the second separator 13b, and the first electrode 11. Additionally, the monocell may be composed of five or more odd electrodes and three or more separators 13 stacked between each electrode.
  • a full cell refers to a cell with a structure in which electrodes of opposite polarity are placed on both outermost sides.
  • a full cell may be formed by stacking the first electrode 11, the first separator 13a, and the second electrode 12. Additionally, a monocell may be composed of four or more even electrodes and three or more separators 13 stacked between each electrode.
  • the lamination device 100 of the present invention can manufacture any one of monocells, bicells, and full cells, and the number of electrode rolls 110 and 120 and separator rolls 130 installed can be adjusted depending on the type of the unit cell 10. You can change it.
  • Figures 1 and 2 show examples of a lamination device 100 for manufacturing a monocell.
  • the lamination device 100 includes a first electrode roll 110 wound with a first electrode sheet 111.
  • the first electrode sheet 111 is unwound from the first electrode roll 110 and supplied to the pinch roller 133.
  • An active material is coated on one or both sides of the first electrode sheet 111.
  • the lamination device 100 includes a second electrode roll 120 wound with a second electrode sheet 121.
  • the second electrode sheet 121 is unwound from the second electrode roll 120 and supplied to the lamination unit 150.
  • An active material is coated on one or both sides of the second electrode sheet 121.
  • the first electrode sheet 111 may be a negative electrode sheet coated with a negative electrode active material
  • the second electrode sheet 121 may be a positive electrode sheet coated with a positive electrode active material
  • the first electrode sheet 111 may be a positive electrode sheet coated with a positive electrode active material
  • the second electrode sheet 121 may be a negative electrode sheet coated with a negative electrode active material.
  • the lamination device 100 includes a plurality of separator rolls 130 on which separator sheets 131 are wound.
  • the plurality of separator rolls 130 may include a first separator roll 130a on which a first separator sheet 131a is wound, and a second separator roll 130b on which a second separator sheet 131b is wound.
  • a pinch roller 133 is installed between the first separator roll 130a and the second separator roll 130b so that the first separator sheet 131a and the second separator sheet 131b overlap.
  • a first cutter unit 141 is installed between the first electrode roll 110 and the pinch roller 133. The first cutter unit 141 cuts the first electrode sheet 111 unwound from the first electrode roll 110 to form the first electrode 11.
  • the first electrode 11 is stacked at regular intervals between the first separator sheet 131a and the second separator sheet 131b.
  • the pinch roller 133 presses the first separator sheet 131a and the second separator sheet 131b toward the first electrode 11 so that they are stacked.
  • At least two pinch rollers 133 may be installed as long as they apply pressure to stack the first separator sheet 131a and the second separator sheet 131b.
  • the pinch roller 133 is a component that changes the transport direction of the separator sheet 131, and the number of pinch rollers 133 can be changed depending on the number of separator rolls 130 installed.
  • the separator sheet 131 is laminated on both sides of the first electrodes 11 arranged in a row.
  • the first separator sheet 131a is laminated on one side of the first electrodes 11 arranged in a row
  • the second separator sheet 131b is laminated on the other side of the first electrodes 11 arranged in a row. .
  • a second cutter unit 143 is disposed at the entrance side of the second electrode 12 of the lamination unit 150.
  • the second cutter unit 143 cuts the second electrode sheet 121 unwound from the second electrode roll 120 and seats it on the upper surface of the second separator sheet 131b.
  • the electrode stack 102 has a plurality of first electrodes 11 arranged between the first separator sheet 131a and the second separator sheet 131b, and a plurality of first electrodes 11 are arranged on the upper surface of the second separator sheet 131b. It has a structure in which the second electrodes 12 are arranged.
  • One first electrode sheet 111, one second electrode sheet 121, and two separator sheets 131 may be stacked on the electrode stack 102 as shown in FIG. 1. Additionally, the electrode stack 102 may include two or more first electrode sheets 111, two or more second electrode sheets 121, and four or more separator sheets 131. The number of stacks of the electrode sheets 111 and 121 and the separator sheet 131 can be varied.
  • the positive electrode active material coated on the first electrode sheet 111 and the negative electrode active material coated on the second electrode sheet 121 can be used without limitation as long as they are active materials known in the art.
  • the positive electrode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxide (LiMnO 2 ) with the formula Li 1+x Mn 2-x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , etc.; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Nickelsite type lithium nickel oxide ( lithiated nickel) represented by the formula LiNi 1-x M oxide); Formula LiMn 2 - x M lithium manganese complex oxide expressed as Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which part of the lithium in the chemical formula is replaced with alkaline earth metal ions; disulfide compounds;
  • the positive electrode current collector has a thickness of, for example, 3 to 500 ⁇ m.
  • This positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • the positive electrode current collector may be stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc.
  • the positive electrode current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material.
  • These positive electrode current collectors can take various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.
  • a conductive material may be additionally mixed with the positive electrode active material particles. This conductive material is added, for example, in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. These conductive materials are not particularly limited as long as they have high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • the conductive material may be graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • graphite such as natural graphite or artificial graphite
  • Carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black
  • Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber
  • Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder
  • Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate
  • Conductive oxides such as titanium oxide
  • Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • the negative electrode sheet is manufactured by applying and drying negative electrode active material particles on the negative electrode current collector, and if necessary, components such as the conductive material, binder, solvent, etc. described above may be further included.
  • the negative electrode current collector has a thickness of, for example, 3 to 500 ⁇ m.
  • This negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the secondary battery.
  • the negative electrode current collector may be made of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., or aluminum-cadmium alloy. You can.
  • the bonding power of the negative electrode active material can be strengthened by forming fine irregularities on the surface, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven materials.
  • the negative electrode active material includes, for example, carbon such as non-graphitized carbon and graphitic carbon; Li x Fe 2 O 3 ( 0 ⁇ x ⁇ 1 ), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1 ) , Sn Al, B, P, Si, elements of groups 1, 2, and 3 of the periodic table, halogens; metal complex oxides of 0 ⁇ x ⁇ 1;1 ⁇ y ⁇ 3;1 ⁇ z ⁇ 8); lithium metal; lithium alloy; silicon-based alloy; tin-based alloy; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni based materials, etc. can be used.
  • the binder polymer that can be used in the electrode sheets 11 and 12 is a component that assists in the bonding of the electrode active material particles and the conductive material and the bonding to the electrode current collector, for example, based on the total weight of the mixture containing the electrode active material. It is added at 1 to 50% by weight.
  • binder polymers include polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVdF), polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, and polymethyl methacrylate.
  • polymethylmethacrylate polybutylacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, polyethylene-co-vinyl acetate, Polyethylene oxide, polyarylate, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethylpullulan, Any one binder selected from the group consisting of cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethylcellulose, cyanoethylsucrose, pullulan, and carboxyl methyl cellulose Polymers or mixtures of two or more of them may be used, but are not limited thereto.
  • Non-limiting examples of solvents used to manufacture the electrode include acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, and N-methyl-2. -N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), cyclohexane, water, or mixtures thereof. These solvents provide an appropriate level of viscosity so that a slurry coating layer can be created at a desired level on the electrode current collector surface.
  • the separator 13 has a porous polymer substrate and a porous coating layer located on both sides of the porous polymer substrate and containing inorganic particles and a binder polymer.
  • the porous polymer substrate may be a polyolefin-based porous substrate.
  • the polyolefin porous substrate may be in the form of a film or non-woven web. Having such a porous structure allows smooth movement of electrolyte between the anode and cathode.
  • the porous structure increases the electrolyte impregnation of the substrate itself, thereby ensuring excellent ionic conductivity, and preventing an increase in resistance inside the electrochemical device, thereby preventing performance degradation of the electrochemical device.
  • the polyolefin porous substrate used in the present invention can be any planar porous substrate commonly used in electrochemical devices, and its material or shape can be selected in various ways depending on the purpose.
  • the polyolefin porous substrate may be, but is not limited to, high-density polyethylene, low-density polyethylene, linear low-density polyethylene, ultra-high molecular weight polyethylene, polypropylene, or a film or non-woven web formed of a mixture of two or more of these. It is not limited to this.
  • porous coating layers are provided on both sides of the porous polymer substrate, a uniform solid electrolyte interface layer can be formed by improving the impregnation performance for the electrolyte solution, and Compared to the single-sided inorganic coating separator 13, superior air permeability can be secured. For example, it may be within 120s/100cc. In addition, even if an inorganic porous coating layer is provided on both sides, a thickness comparable to that of a conventional single-sided inorganic coating separator can be achieved.
  • the stability of the separator 13 is improved and heat resistance and compression resistance characteristics can be secured. Specifically, it is possible to secure heat resistance with a heat shrinkage characteristic of less than 5% at 180°C, and secure a puncture strength property of 550 gf or more, and the core during the cycle of a secondary battery employing this separator 13. When core deformation occurs, damage to or penetration of the separator 13 at the step portion can be prevented.
  • the lamination unit 150 includes a heater unit 151, a lamination roller unit 153, and a pressure control unit 155.
  • the heater unit 151 heats the separator sheet 131 and the electrodes 11 and 12.
  • the heater unit 151 is disposed on both sides of the separator sheet 131 to heat the separator sheet 131 and the electrodes 11 and 12 from both sides.
  • the heater unit 151 is installed on both sides of the first electrode sheet 111 to be spaced apart from the separator sheet 131.
  • the heater unit 151 may be formed to be longer than the width of the separator sheet 131 to evenly heat the electrodes 11 and 12 and the separator sheet 131 as a whole.
  • the laminate roller unit 153 presses the separator sheet 131 and the electrodes 11 and 12.
  • the lamination roller unit 153 includes an upper lamination roller 153a and a lower lamination roller 153b disposed on both sides of the separator sheet 131 to press the separator sheet 131 and the electrodes 11 and 12 from both sides. .
  • the pressure adjusting unit 155 is connected to the lamination roller unit 153 so that the lamination roller unit 153 can adjust the pressure applied to the electrode stack 102.
  • the laminate roller unit 153 may be formed to be longer than the width of the separator sheet 131 to evenly press the first electrode sheet 111 and the separator sheet 131 as a whole.
  • the lower ramie roller 153b is fixed to the lower side of the separator sheet 131, and the upper ramie roller 153a is installed on the upper side of the separator sheet 131 to be able to move up and down.
  • the pressure regulator 155 is connected to the upper ramie roller 153a to raise and lower the upper ramie roller 153a. At this time, the pressure adjusting unit 155 may correct the pressure by elevating the upper ramming roller 153a of the ramming roller unit 153. When correcting the pressure of the pressure regulator 155, the lower ramie roller 153b remains fixed.
  • the pressure adjusting unit 155 may be connected to the upper lamination roller 153a and the lower ramie roller 153b, respectively, to raise and lower the upper ramie roller 153a and the lower lamination roller 153b, respectively.
  • the pressure control unit 155 includes a cylinder unit (not shown) and a regulator (not shown).
  • the cylinder part is connected to the ramie roller part 153.
  • the pressure of the lamination roller unit 153 increases, and as the fluid is discharged from the cylinder unit, the pressure of the lamination roller unit 153 decreases.
  • the regulator receives a control signal from the control unit 180 and adjusts the pressure of the cylinder unit.
  • the regulator controls the pressure of the cylinder section by controlling the amount of fluid supplied or discharged from the cylinder. As the regulator adjusts the pressure of the cylinder unit, the pressure applied by the laminar roller unit 153 to the electrode stack 102 can be corrected.
  • the initial pressure value for the pressure regulator 155 is set in advance in the control unit 180.
  • the initial pressure value is the thickness and area of the electrode stack 102, the thickness of the second electrode 12 in the electrode stack 102, the thickness of the separator sheet 131 in the electrode stack 102, and the electrode stack ( It can be changed in various ways by comprehensively considering the transfer speed of 102) and the physical properties of the separator sheet 131.
  • the initial pressure value may increase.
  • the step between the second electrode 12 and the second separator sheet 131b increases, so that the laminate roller unit 153 and the second electrode
  • the initial pressure value of the pressure regulator 155 may be relatively reduced.
  • the thickness of the separator sheet 131 in the electrode stack 102 becomes thinner, the possibility of damage to the separator sheet 131 increases even with a relatively weak impact, so pressure must be adjusted to minimize damage to the separator sheet 131.
  • the initial pressure value of unit 155 can be relatively reduced.
  • the initial pressure value of the control unit 155 can be relatively reduced.
  • an allowable brightness range for the calculated brightness value is set in advance in the control unit 180. If it is determined that the calculated brightness value is outside the allowable brightness range, the control unit 180 controls the pressure adjusting unit 155 to correct the pressure of the laminate roller unit 153.
  • the above brightness value quantifies the degree to which the contrast of the separator sheet photographed by the vision unit 170, which will be described below, is dark or bright. The higher the brightness value, the brighter the contrast of the captured image (IM), and the lower the brightness value, the darker the contrast of the captured image (IM).
  • the allowable brightness range for the calculated brightness value is the thickness and area of the electrode stack 102, the thickness of the second electrode 12 in the electrode stack 102, and the separator sheet 131 in the electrode stack 102. It can be changed in various ways by comprehensively considering the thickness, transfer speed of the electrode stack 102, physical properties of the separator sheet 131, etc.
  • the pressure regulator 155 presses the electrode stack 102 to an initial pressure value preset in the control unit 180. Then, when the vision unit 170 reads the image (IM) of the unit cell 10 and the brightness value of the unit cell 10 is outside the allowable brightness range preset in the control unit 180, the pressure is adjusted. The pressure value of unit 155 is corrected in real time.
  • the final cutter unit 160 is disposed on the downstream side of the ramie roller unit 153.
  • the final cutter unit 160 cuts the separator sheet 131 and the electrode to form the unit cell 10. At this time, the final cutter unit 160 cuts the portion of the separator sheet 131 between two adjacent electrodes.
  • the vision unit 170 is disposed downstream of the final cutter unit 160 and captures an image (IM) of the unit cell 10. This vision unit 170 irradiates light to the unit cell 10 cut by the final cutter unit 160, measures the light reflected from the unit cell 10, and creates an image (IM) of the unit cell 10. Take pictures.
  • the control unit 180 calculates a brightness value of the captured image (IM) received from the vision unit 170. For example, the control unit 180 calculates a calculated brightness value corresponding to the separator portion (P: see FIGS. 3 and 5) in contact with the edge portion (E) of the electrodes 111 and 12 in the calculated image IM. . And, the control unit 180 controls the pressure adjusting unit 155 to correct the pressure of the laminate roller unit 153 according to the calculated brightness value.
  • the lamination roller unit 153 rotates to compress the electrode stack 102. At this time, when the laminate roller unit 153 is positioned on the upper surface of the second electrode 12, the electrode stack 102 is compressed relatively strongly (see FIG. 3(a)). When the laminate roller unit 153 is positioned between two adjacent second electrodes 12, the electrode stack 102 is compressed relatively weakly (see FIG. 3(b)).
  • the second electrodes 12 are stacked in a stepped manner with the second separator sheet 131b, whenever the edge portion E of the second electrode 12 contacts the upper laminate roller 153a, the second electrode An impact is applied to the edge portion (E) of (12). Moreover, in order to increase the productivity of the secondary battery, the faster the electrode stack 102 is supplied to the laminate roller unit 153, the greater the impact applied to the edge portion E of the second electrode 12 can be. there is. At this time, since the first separator sheet 131a and the second separator sheet 131b are made of a porous material through which ions can pass, the edge portion E of the second electrode 12 is pressed downward by impact.
  • the second separator sheet 131 and the first separator sheet 131a are pressed in the thickness direction.
  • the portion (P) corresponding to the edge portion (E) of the second electrode 12 or its vicinity has a mark or a damaged portion due to excessive impact. This may occur.
  • the step between the second electrode 12 and the second separator sheet 131b increases, so that the ramie roller unit 153 and the second separator sheet 131b
  • the impact amount of the electrode 12 increases.
  • the thickness of the separator sheet 131 in the electrode stack 102 becomes thinner, the possibility of damage to the separator sheet 131 may further increase even if the same impact force is applied to the separator sheet 131.
  • the vision unit 170 captures an image (IM) of the unit cell 10 from the bottom of the unit cell 10.
  • the captured image IM of the separator 13 appears as an overall white color or a color close to it (low brightness).
  • the portion (P) corresponding to the edge portion (E) of the second electrode 12 or the portion (P) corresponding to the edge portion (E) of the second electrode 12 in the captured image (IM) of the separator 13 Nearby areas appear in dark colors (high brightness). The stronger the force with which the separator 13 is pressed by the second electrode 13, the darker the color of the portion corresponding to the edge portion E of the second electrode 13 appears.
  • a portion P1 with low brightness is created in the captured image IM of the separator 13, and in FIG. 9(b), the brightness portion of the portion P1 is generated in the captured image IM of the separator 13.
  • An example in which a high-value part (P2) is created is shown.
  • the separator portion P corresponding to the edge portion E of the second electrode 12 appears in a darker color. Additionally, as the thickness of the separator 13 becomes thinner, the separator portion (P) corresponding to the edge portion (E) of the second electrode 12 appears in a darker color. Additionally, the more severe the damage to the damaged part, the darker the contrast becomes.
  • FIG. 7 shows an example of a captured image (IM) in which a finely damaged portion (P) is generated
  • FIG. 8 illustrates a separator in which a finely damaged portion (P) is created.
  • the pressure of the ramie roller unit 153 can be corrected based on the pressure when the ramie roller unit 153 is positioned on the upper surface of the second electrode 12.
  • the pressure when the ramie roller unit 153 is located on the upper surface of the second electrode 12 has the smallest pressure deviation than the pressure when the ramie roller unit 153 is positioned between the two second electrodes 12. . Accordingly, the pressure of the lamination roller unit 153 can be accurately corrected by correcting based on the largest pressure among the pressures with which the lamination roller unit 153 presses the electrode stack 102.
  • control unit 180 includes a vision control unit 181 and an automatic control unit 183 (PLC: Programmable Logic Controller).
  • PLC Programmable Logic Controller
  • the vision control unit 181 receives the image (IM) captured by the vision unit 170.
  • the vision control unit 181 controls the vision unit 170 to emit light from the vision unit 170 and receives a captured image (IM) captured by the vision unit 170.
  • a vision computer is provided as the vision control unit 181.
  • the automatic control unit 183 calculates the calculated brightness value by calculating the captured image (IM) received from the vision control unit 181, and when it is determined that the calculated brightness value is outside the preset allowable brightness range, the Lamy roller unit 153 The pressure regulator 155 is controlled to correct the pressure.
  • the automatic control unit 183 includes an input control unit 184, a data memory unit 185, a processing unit 186, a program memory unit 187, and an output control unit 188.
  • a captured image (IM) is input to the input control unit 184 through the input unit, and the input control unit 184 transmits the captured image (IM) to the processing unit 186.
  • the processing unit 186 calculates the captured image (IM) to derive a calculated brightness value, and when the program determines that the calculated brightness value is outside the allowable brightness range, it calculates a pressure correction value.
  • the output control unit 188 outputs the pressure correction value to the pressure adjustment unit 155, and the pressure adjustment unit 155 corrects the pressure of the laminate roller unit 153 according to the pressure correction value.
  • the thicknesses (t3, t4) of the separator 13 of the unit cell 10 are formed thin, and the thicknesses of the electrodes 11 and 12 are increased. form thick.
  • a separator 13 with a thickness (t1, t2) of approximately 19-20 um was used, but recently, a separator 13 with a thickness (t3, t4) of approximately 16-14 um was used. ) is being used. Therefore, according to the present invention, as the thickness (t3, t4) of the separator 13 is reduced by approximately 25% in the unit cell 10 of the same size, the thickness of the electrodes 11 and 12 is increased by approximately 25%. You can do it.
  • the electrodes 11 and 12 may have a slight height difference in the longitudinal or width direction due to unevenness of the surface of the current collector and deviation in the application of the active material layer.
  • the lamination roller 153 may be slightly eccentric due to the height difference of the electrodes 11 and 12. .
  • the laminate roller unit 153 moves the electrodes 11 and 12. An impact is applied to the edge portion (E) of the electrodes 12), and the separator sheet portion (P) in contact with the edge portion (E) of the electrodes 11 and 12 is damaged.
  • the laminate roller unit 153 continuously pressurizes the electrode stack 102 with the same pressure, damaged portions of the separator sheet 131 frequently occur, and the defect rate of the unit cell 10 may increase. .
  • the captured image (IM) of the unit cell 10 is captured in real time, and it is determined whether the brightness value of the captured image (IM) falls within the allowable brightness range to determine whether the unit cell 10 is defective.
  • the control unit 180 controls the pressure adjusting unit 155 to correct the pressure of the laminating roller unit 153 in real time, so the defective rate of the unit cell 10 can be significantly reduced.
  • the lamination device 100 includes an alarm unit 190 that generates a warning signal when it is determined that the calculated brightness value is outside the allowable brightness range more than a certain number of times (for a certain period of time) even after correcting the pressure of the lamination roller unit 153. It further includes. At this time, if the calculated brightness value after pressure correction of the laminate roller unit 153 is outside the allowable brightness range for a certain period of time, the alarm unit 190 may sound a warning sound. When the alarm unit 190 notifies a warning sound, the manufacturing process of the lamination device 100 may be stopped manually or automatically.
  • the pressure of the lamination roller unit 153 is corrected in real time according to the brightness value of the image (IM) captured by the vision unit 180, so that the separator sheet is formed while the electrode stack 102 is laminated. (131) can be prevented in real time from being damaged or excessively pressed. Accordingly, the defect rate of the unit cell 10 can be significantly reduced.
  • the thickness of the electrodes 11 and 12 stacked on the electrode stack 102 may vary depending on the processing error of the current collector, the coating error of the active material, the stacking error of the electrodes 11 and 12 and the separator sheet 131, etc. You can.
  • the pressure of the laminate roller unit 153 is corrected in real time according to the brightness value of the captured image (IM) of the unit cell 10, so that the electrodes 11 and 12 with different thicknesses in the electrode stack 10 ) and the impact of the ramie roller unit 153 can be alleviated. Accordingly, damage to the separator sheet 131 can be minimized.
  • the thickness (t3, t4) of the separator 13 in the unit cell 10 Even if ) is reduced, the possibility of damage to the separator 13 can be significantly reduced by alleviating the impact applied to the separator 13. Accordingly, the thickness of the electrodes 11 and 12 can be increased as the separator 13 becomes thinner in the unit cell 10 of the same thickness. Furthermore, the capacity of the battery can be significantly increased in a battery package in which the unit cells 10 are stacked.
  • Figure 10 is a flow chart schematically showing the manufacturing method of a unit cell according to the present invention.
  • the electrode stack 102 is supplied to the lamination unit 150.
  • the heater unit 151 heats the electrode stack 102
  • the laminating roller unit 153 compresses the electrode stack 102 to stack the separator sheet 131 and the electrodes 11 and 12 ( S11).
  • the initial pressure value for the pressure regulator 155 is set in advance in the control unit 180.
  • the final cutter unit 160 cuts the electrode stack 102 to form the unit cell 10 (S12). At this time, the final cutter unit 160 cuts the portion of the separator sheet 131 between the two adjacent electrodes 11 and 12. The unit cell 10 is moved to the upper side of the vision unit 170.
  • the vision unit 170 captures an image (IM) of the unit cell 10 (S13). At this time, the vision unit 170 irradiates light to the lower part of the unit cell 10 cut by the final cutter unit 160 and measures the light reflected from the unit cell 10 to create an image of the unit cell 10 ( IM). The vision unit 170 transmits a captured image (IM) to the control unit 180.
  • the control unit 180 calculates the brightness value by calculating the captured image (IM) received from the vision unit 170 (S14). At this time, the control unit 180 calculates a calculated brightness value corresponding to the separator portion P in contact with the edge portion E of the electrodes 11 and 12 of the unit cell 10 in the calculated image IM.
  • the captured image (IM) of the separator sheet 131 is overall white or a color close to it ( appears as low brightness).
  • the image (IM) of the separator sheet 131 is The portion corresponding to or near the edge portion E of the second electrode 12 appears in a dark color (high brightness). The stronger the force pressed by the electrode on the separator sheet 131, the darker the color of the portion corresponding to the edge portion E of the electrode appears.
  • the step between the second electrode 12 and the second separator sheet 131b increases, so the second electrode 12 and the separator sheet 131b increase.
  • the amount of impact of (131) increases.
  • the thickness of the separator sheet 131 in the electrode stack 102 becomes thinner, the possibility of damage to the separator sheet 131 due to the impact force of the second electrode 12 may further increase. Even when the pressure of the laminate roller unit 153 is the same, the possibility of damage to the separator sheet 131 may increase as the transport speed of the electrode stack 102 increases.
  • the control unit 180 determines whether the calculated brightness value is outside the allowable brightness range (S15). If the control unit 180 determines that the calculated brightness value falls within the allowable brightness range, it maintains the pressure of the laminate roller unit 153 as is.
  • the control unit 180 controls the pressure adjusting unit 155 to correct the pressure of the laminate roller unit 153 (S16).
  • the allowable brightness range for the calculated brightness value is the thickness and area of the electrode stack 102, the thickness of the second electrode 12 in the electrode stack 102, and the separator sheet 131 in the electrode stack 102. It can be changed in various ways by comprehensively considering the thickness, transfer speed of the electrode stack 102, physical properties of the separator sheet 131, etc.
  • the pressure of the laminate roller unit 153 can be corrected based on the pressure when the laminate roller unit 153 is positioned on the upper surface of the second electrode 12. Accordingly, by correcting based on the largest pressure among the pressures with which the lamination roller unit 153 presses the electrode stack 102, the pressure amount of the lamination roller unit 153 can be accurately corrected.
  • the control unit 180 calculates the brightness value again by calculating the captured image (IM) captured in real time by the vision unit 170 (S17).
  • the alarm unit 190 generates an alarm and stops driving the lamination device 100 (S19, S20). At this time, when the alarm unit 190 notifies a warning sound, the manufacturing process of the lamination device 100 may be stopped manually or automatically.

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Abstract

본 발명은 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 라미네이션 장치는, 최종 커터부의 하류 측에 배치되고, 단위 셀의 이미지를 촬영하는 비전부; 및 비전부에서 수신된 촬영 이미지의 명도값(brightness value)을 산출하고, 산출 명도값에 따라 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 압력 조절부를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법
본 출원은 2022년 4월 21일자 대한민국 특허출원 제10-2022-0049366호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법에 관한 것으로서, 분리막의 손상을 방지하고, 단위 셀의 불량률을 낮출 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 전해질을 포함하고, 화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 이차전지는 충방전이 가능한 장점에 의해 사용이 점차적으로 늘고 있는 추세이다. 이와 같은 이차전지 중에서도 리튬 이차 전지는 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에, 전자 통신 기기의 전원으로 사용되거나 고출력의 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 구동원 등으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지의 형상 측면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 증가되고 있다. 이차전지의 재료 측면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 증가되고 있다.
전극시트가 노칭모듈에 공급되고, 노칭모듈이 전극시트의 폭방향 일측에 전극탭을 동일 간극으로 형성한다. 전극탭이 형성된 전극시트는 리와인더에 다시 권취된다.
대한민국 등록특허공보 제2328527호에는 라미네이션 장치가 개시되어 있다. 상기 라미네이션 장치에서는 2개의 전극롤에 권취된 전극시트와, 2개의 분리막롤에 권취된 분리막 시트가 공급된다. 이때, 제1커터부가 제1전극시트를 절단하여 제1전극을 형성한 후 한 쌍의 분리막 시트 사이에 적층하고, 제2커터부가 제2전극시트를 절단하여 제2전극을 형성한 후 상층의 분리막 시트에 적층한다. 이때, 제2전극은 상층의 분리막 시트에서 제1전극에 일대일 대응되게 적층된다.
절단된 제1전극과 제2전극이 분리막 시트에 적층된 상태의 전극 적층체가 라미네이터의 히터부와 라미 롤러에 공급된다. 히터부는 전극 적층체를 가열하고, 라미 롤러는 전극 적층체를 가압하여 합치시킨다. 이어, 라미 롤러의 하류측에 설치된 제3커터부가 이웃한 한 쌍의 전극 사이의 분리막 시트 부분을 절단하여 모노셀을 형성한다. 라미네이터의 하류측에는 모노셀을 검사하기 위해 비전장치가 설치된다. 비전장치는 분리막에 접착된 전극의 위치 변경이나 전극 틀어짐 등을 검사한다.
그러나, 상기한 라미네이션 장치는 라미 롤러가 항상 동일한 압력으로 전극 적층체를 가압하고, 상기 전극 적층체의 맨 상층의 전극들이 분리막 시트와 단차지게 적층된다. 이에 따라, 상기 전극의 에지부가 라미 롤러에 접촉될 때마다 전극의 에지부에 충격이 가해지게 된다. 더욱이, 이차전지의 생산성을 높이기 위해 상기 전극 적층체의 이송 속도로 증가될수록 상기 전극의 에지부에 가해지는 충격이 더욱 커질 수 있다. 전극의 에지부에 대응되는 분리막 시트 부분이나 그 근처가 과도한 충격에 의해 손상된 부분이 발생될 수 있다. 이에 따라, 모노셀의 불량률이 증가될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체에서 전극의 두께가 증가되는 경우, 전극과 분리막 시트의 단차가 증가되어 라미 롤러와 전극의 충격량이 더욱 커질 수 있다. 또한, 상기 전극 적층체에서 분리막 시트의 두께가 얇아지는 경우에도, 동일한 충격력이 전극에 가해지더라도 분리막 시트의 손상 가능성이 더욱 증가될 수 있다. 이러한 경우에도 모노셀의 불량률이 증가될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체에 적층되는 전극들은 집전체의 가공 오차, 활물질의 코팅 오차, 전극과 분리막 시트의 적층 오차 등에 의해 두께가 달라질 수 있다. 그러나, 기존의 라미네이션 장치에서는 라미 롤러가 일정한 압력으로 전극 적층체를 가압하므로, 두께가 다른 전극들이 라미 롤러에 가압될 때에 분리막 시트의 손상 가능성이 증가될 수 있다.
또한, 상기 비전장치가 단순히 모노셀의 불량 여부만을 검사하므로, 전극 적층체가 라미네이션되는 동안에 분리막 시트의 손상 여부를 확인하기 어렵다. 또한, 분리막 시트의 손상이 일정 시간 동안 진행된 이후에, 라미네이션 장치에서 불량 원인을 조사하므로, 모노셀의 불량률이 증가될 수밖에 없다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 분리막의 손상을 방지하고, 단위 셀의 불량률을 낮출 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 비전부에서 촬영된 이미지의 명도값에 따라 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정할 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 적층체가 라미네이션되는 동안에 분리막 시트가 손상되거나 과도하게 눌리는 것을 실시간으로 방지할 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 적층체에서 두께가 다른 전극들과 라미 롤러부의 현저히 충격을 완화시킬 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단위 셀에서 분리막의 두께를 감소시키더라도 분리막에 가해지는 충격을 완화시켜 분리막의 손상 가능성을 현저히 낮출 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 라미네이션 장치는, 최종 커터부의 하류 측에 배치되고, 단위 셀의 이미지를 촬영하는 비전부; 및 상기 비전부에서 수신된 상기 촬영 이미지의 명도값(brightness value)을 산출하고, 상기 산출 명도값에 따라 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 비전부는 상기 단위 셀을 촬영하도록 상기 단위 셀의 하측에 배치될 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출 이미지 중에서 상기 전극의 에지부와 접촉되는 분리막 부분에 대응되는 산출 명도값을 산출할 수 있다.
상기 제어부에는 상기 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정될 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어할 수 있다.
상기 비전부는 상기 단위 셀의 이미지를 실시간으로 촬영하고, 상기 제어부는 상기 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 라미 롤러부가 전극 적층체를 가압하는 압력 중에서 가장 큰 압력을 기준으로 상기 라미 롤러부의 압력을 보정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비전부에서 촬영된 이미지를 수신받는 비전 제어부; 및 상기 비전 제어부에서 수신된 상기 이미지를 연산하여 상기 산출 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값이 미리 설정된 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는 자동 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 제어부에는 상기 압력 조절부의 초기 압력값이 미리 설정될 수 있다.
상기 라미 롤러부는 상부 라미 롤러와 하부 라미 롤러를 포함할 수 있다.
상기 하부 라미 롤러는 상기 분리막 시트의 하측에 고정되고, 상기 압력 조절부는 상기 상부 라미 롤러를 승강시키도록 상기 상부 라미 롤러에 연결될 수 있다.
상기 라미네이션 장치는, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정한 후에도 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 경고음을 발생시키는 알람부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 단위 셀 제조 방법은 라미네이션 단계, 절단 단계 및 압력 보정 단계를 포함한다.
라미네이션 단계에서는 라미 롤러부가 전극 적층체를 압착하여 분리막 시트와 전극을 적층한다.
절단 단계에서는 최종 커터부가 상기 전극 적층체를 절단하여 단위 셀을 형성한다.
촬영 단계에서는 비전부가 상기 단위 셀의 이미지를 촬영한다.
압력 보정 단계에서는 제어부가 상기 비전부에서 수신된 촬영 이미지를 연산하여 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값에 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 압력 조절부를 제어한다.
상기 비전부는 상기 단위 셀의 하부에서 상기 단위 셀의 이미지를 촬영할 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출 이미지 중에서 상기 단위 셀의 전극의 에지부와 접촉되는 분리막 부분에 대응되는 산출 명도값을 산출할 수 있다.
상기 제어부에는 상기 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정될 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어할 수 있다.
상기 비전부는 상기 단위 셀의 이미지를 실시간으로 촬영하고, 상기 제어부는 상기 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 라미 롤러부가 전극 적층체를 가압하는 압력 중에서 가장 큰 압력을 기준으로 상기 라미 롤러부의 압력을 보정할 수 있다.
상기 제어부에는 상기 압력 조절부의 초기 압력값이 미리 설정될 수 있다.
상기 압력 조절부는 상기 라미 롤러부의 상부 라미 롤러를 승강시켜 압력을 보정할 수 있다.
상기 단위 셀 제조방법은, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정한 후에도 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 알람부가 경고음을 발생시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 비전부에서 촬영된 이미지의 명도값에 따라 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정하므로, 전극 적층체가 라미네이션되는 동안에 분리막 시트가 손상되거나 과도하게 눌리는 것을 실시간으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 단위 셀의 불량률을 현저히 낮출 수 있다.
본 발명에 의하면, 단위 셀의 촬영 이미지의 명도값에 따라 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정하므로, 전극 적층체에서 두께가 다른 전극들과 라미 롤러부의 현저히 충격을 완화시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 분리막 시트의 손상을 최소화하고, 단위 셀의 불량률을 낮출 수 있다.
본 발명에 의하면, 비전부에서 촬영된 이미지의 명도값에 따라 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정하므로, 상기 단위 셀에서 분리막의 두께를 감소시키더라도 분리막에 가해지는 충격을 완화시켜 분리막의 손상 가능성을 현저히 낮출 수 있다.
본 발명에 의하면, 동일한 두께의 단위 셀에서 분리막이 얇아지는 만큼 전극의 두께를 두껍게 할 수 있다. 나아가, 단위 셀이 적층된 배터리 패키지에서 배터리의 용량을 현저히 증가시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 라미 롤러부의 압력을 자동 보정한 후에도 일정 횟수 이상(일정 시간 동안) 산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 알람부가 경고 신호를 발생시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 라미네이션 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 라미네이션 장치에서 비전부 및 제어부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 라미네이션 장치에서 전극 적층체가 라미 롤러부에 의해 가압되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 전극 적층체에서 절단된 단위 셀에서 분리막 시트의 두께가 기존의 분리막 보다 얇게 형성되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 비전부가 단위 셀의 이미지를 촬영하는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제어부를 구성하는 자동 제어부를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따른 비전부가 촬영한 단위 셀의 이미지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 단위 셀에서 제2분리막에 손상 부분이 발생된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 단위 셀의 촬영 이미지에서 분리막의 에지부에 눌린 자국이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 단위 셀의 제조방법을 개략적으로 도시한 플로우차트이다.
10: 단위 셀 11: 제1전극
12: 제2전극 13: 분리막
13a: 제1분리막 13b: 제2분리막
E: 에지부 100: 라미네이션 장치
102: 전극 적층체 110: 제1전극롤
111: 제1전극시트 120: 제2전극롤
121: 제2전극시트 130: 분리막롤
130a: 제1분리막롤 130b: 제2분리막롤
131: 분리막 시트 131a: 제1분리막 시트
131b: 제2분리막 시트 133: 핀치 롤러
141: 제1커터부 143: 제2커터부
150: 라미네이션부 151: 히터부
153: 라미 롤러부 153a: 상부 라미 롤러
153b: 하부 라미 롤러 155: 압력 조절부
160: 최종 커터부 170: 비전부
180: 제어부 181: 비전 제어부
183: 자동 제어부 184: 입력 제어부
185: 데이터 메모리부 186: 연산 및 프로세싱부
187: 프로그램 메모리부 188: 출력 제어부
190: 알람부
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 라미네이션 장치에 관해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 라미네이션 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 라미네이션 장치에서 비전부 및 제어부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 라미네이션 장치에서 전극 적층체가 라미 롤러부에 의해 가압되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 전극 적층체에서 절단된 단위 셀에서 분리막 시트의 두께가 기존의 분리막 보다 얇게 형성되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 비전부가 단위 셀의 이미지(IM)를 촬영하는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 제어부를 구성하는 자동 제어부(PLC)를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 7은 본 발명에 따른 비전부가 촬영한 단위 셀의 이미지(IM)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 도 7의 단위 셀에서 제2분리막에 손상 부분이 발생된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 단위 셀의 촬영 이미지(IM)에서 분리막의 에지부에 눌린 자국이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 라미네이션 장치(100)는 비전부(170)가 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영하고, 제어부(180)가 촬영 이미지(IM)의 명도값(brightness value)을 산출하여 라미 롤러부(153)의 압력을 보정한다. 라미 롤러부(153)의 압력이 보정됨에 따라 전극 적층체(102)에 부착된 전극(11,12)과 라미 롤러부(153)의 충격을 완화시킴으로써, 분리막 시트(131) 또는 전극(11,12)이 라미 롤러부(153)의 충격에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제어부(180)가 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하고, 비전부(170)가 단위 셀(10)의 불량 여부를 실시간으로 확인하므로, 라미네이션 장치(100)에서 단위 셀(10)의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다.
단위 셀(10)은 모노셀(mono-cell), 바이셀(bi-cell), 풀셀(full cell) 중 어느 하나 일 수 있다.
모노셀은 최외곽 일면에 분리막(13)이 배치되고, 최외곽 타면에 전극이 배치되는 구조의 셀을 의미한다. 예들 들면, 모노셀은 제1분리막(13a), 제1전극(11), 제2분리막(13b) 및 제2전극(12)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 모노셀은 3개 이상의 전극과, 각 전극 사이에 개재되는 3개 이상의 분리막(13)으로 이루어질 수도 있다.
바이셀은 최외곽 양면에 동일 극성의 전극이 배치되는 구조의 셀을 의미한다. 바이셀은 제1전극(11), 제1분리막(13a), 제2전극(12), 제2분리막(13b) 및 제1전극(11)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 모노셀은 5개 이상의 홀수 전극과, 각 전극 사이에 적층되는 3개 이상의 분리막(13)으로 이루어질 수도 있다.
풀셀은 최외곽 양면에 반대 극성의 전극이 배치되는 구조의 셀을 의미한다. 풀셀은 제1전극(11), 제1분리막(13a), 제2전극(12)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 모노셀은 4개 이상의 짝수 전극과, 각 전극 사이에 적층되는 3개 이상의 분리막(13)으로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 라미네이션 장치(100)는 모노셀, 바이셀 및 풀셀 중 어느 하나를 제조할 수 있고, 상기 단위 셀(10)의 종류에 따라 전극롤(110,120)과 분리막롤(130)의 설치 개수를 변경할 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 모노셀을 제조하는 라미네이션 장치(100)의 일 예들 도시하였다.
상기 라미네이션 장치(100)는 제1전극시트(111)을 권취한 제1전극롤(110)을 포함한다. 제1전극시트(111)는 제1전극롤(110)에서 풀려 핀치 롤러(133) 측으로 공급된다. 제1전극시트(111)의 일면 또는 양면에는 활물질이 코팅된다.
라미네이션 장치(100)는 제2전극시트(121)를 권취한 제2전극롤(120)을 포함한다. 제2전극시트(121)는 제2전극롤(120)에서 풀려 라미네이션부(150) 측으로 공급된다. 제2전극시트(121)의 일면 또는 양면에는 활물질이 코팅된다.
제1전극시트(111)는 음극 활물질이 코팅된 음극 전극시트이고, 제2전극시트(121)는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극시트일 수 있다. 또한, 제1전극시트(111)는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극시트이고, 제2전극시트(121)는 음극 활물질이 코팅된 음극 전극시트일 수 있다.
라미네이션 장치(100)는 분리막 시트(131)가 귄취된 복수의 분리막롤(130)을 포함한다. 복수의 분리막롤(130)은 제1분리막 시트(131a)가 권취된 제1분리막롤(130a)과, 제2분리막 시트(131b)가 권취된 제2분리막롤(130b)을 포함할 수 있다.
제1분리막롤(130a)과 제2분리막롤(130b) 사이에는 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b)가 겹쳐지도록 핀치 롤러(133)가 설치된다. 제1전극롤(110)과 핀치 롤러(133) 사이에는 제1커터부(141)가 설치된다. 제1커터부(141)는 제1전극롤(110)에서 풀리는 제1전극시트(111)를 절단하여 제1전극(11)을 형성한다. 제1전극(11)은 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b) 사이에 일정 간격마다 적층된다. 핀치 롤러(133)는 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b)가 적층되도록 제1전극(11) 측으로 가압한다. 핀치 롤러(133)는 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b)을 적층시키도록 가압하는 한 적어도 2개 이상이 설치될 수 있다. 또한, 핀치 롤러(133)는 분리막 시트(131)의 이송 방향을 바꿔주는 구성으로서, 핀치 롤러(133)의 개수는 분리막롤(130)의 설치 개수에 따라 변경될 수 있다.
분리막 시트(131)는 일렬로 배열된 제1전극(11)의 양면에 적층된다. 예들 들면, 제1분리막 시트(131a)는 일렬로 배열된 제1전극(11)의 일면에 적층되고, 제2분리막 시트(131b)는 일렬로 배열된 제1전극(11)의 타면에 적층된다.
라미네이션부(150)의 제2전극(12)의 입구측에는 제2커터부(143)가 배치된다. 제2커터부(143)는 제2전극롤(120)에서 풀리는 제2전극시트(121)를 절단하여 제2분리막 시트(131b)의 상면에 안착시킨다. 이에 따라, 전극 적층체(102)는 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b) 사이에 복수의 제1전극(11)이 배열되고, 제2분리막 시트(131b)의 상면에 복수의 제2전극(12)이 배열되는 구조를 갖는다.
상기한 전극 적층체(102)에는 도 1과 같이 1개의 제1전극시트(111), 1개의 제2전극시트(121) 및 2개의 분리막 시트(131)가 적층될 수 있다. 또한, 전극 적층체(102)에는 2개 이상의 제1전극시트(111), 2개 이상의 제2전극시트(121) 및 4개 이상의 분리막 시트(131)가 적층될 수도 있다. 전극시트(111,121)와 분리막 시트(131)의 적층 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1전극시트(111)에 코팅되는 양극 활물질과 제2전극시트(121)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. 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 이러한 양극 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 이차전지에 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 전극시트(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.
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 수준의 두께를 구현할 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℃ 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 이차전지의 사이클 중 코어 변형(core deformation) 발생 시 단차부에서 분리막(13)의 손상 또는 관통이 방지될 수 있다.
상기 라미네이션부(150)는 히터부(151), 라미 롤러부(153) 및 압력 조절부(155)를 포함한다.
히터부(151)는 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 가열한다. 히터부(151)는 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 양측에서 가열하도록 분리막 시트(131)의 양측에 배치된다. 히터부(151)는 제1전극시트(111)의 양측에 분리막 시트(131)와 이격되도록 설치된다. 히터부(151)는 전극(11,12)과 분리막 시트(131)를 전체적으로 고르게 가열하도록 분리막 시트(131)의 폭보다 길게 형성될 수 있다.
라미 롤러부(153)는 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 가압한다. 라미 롤러부(153)는 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 양측에서 가압하도록 분리막 시트(131)의 양측에 배치되는 상부 라미 롤러(153a)와 하부 라미 롤러(153b)를 포함한다.
압력 조절부(155)는 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)에 가해지는 압력을 조절할 수 있도록 라미 롤러부(153)에 연결된다. 라미 롤러부(153)는 제1전극시트(111)와 분리막 시트(131)를 전체적으로 고르게 가압하도록 분리막 시트(131)의 폭보다 길게 형성될 수 있다.
하부 라미 롤러(153b)는 분리막 시트(131)의 하측에 고정되고, 상부 라미 롤러(153a)는 분리막 시트(131)의 상측에 승강 가능하게 설치된다. 압력 조절부(155)는 상부 라미 롤러(153a)를 승강시키도록 상부 라미 롤러(153a)에 연결된다. 이때, 압력 조절부(155)는 라미 롤러부(153)의 상부 라미 롤러(153a)를 승강시켜 압력을 보정할 수 있다. 압력 조절부(155)의 압력 보정시, 하부 라미 롤러(153b)는 고정된 상태를 유지한다.
물론, 압력 조절부(155)가 상부 라미 롤러(153a)와 하부 라미 롤러(153b)에 각각 연결되어, 상부 라미 롤러(153a)와 하부 라미 롤러(153b)를 각각 승강시킬 수도 있다.
압력 조절부(155)는 실린더부(미도시)와 레귤레이터(미도시)를 포함한다.
실린더부는 라미 롤러부(153)에 연결된다. 실린더부에 유체가 공급되면 실린더부는 라미 롤러부(153)의 압력이 증가되고, 실린더부에서 유체가 배출됨에 따라 라미 롤러부(153)의 압력이 감소된다.
레귤레이터는 제어부(180)의 제어 신호를 전달받아 실린더부의 압력을 조절한다. 레귤레이터는 실린더에 공급되거나 배출되는 유체의 양을 조절하여 실린더부의 압력을 조절한다. 레귤레이터가 실린더부의 압력을 조절함에 따라 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)에 가해지는 압력이 보정될 수 있다.
제어부(180)에는 압력 조절부(155)에 관한 초기 압력값이 미리 설정된다. 초기 압력값은 전극 적층체(102)의 두께 및 넓이, 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께, 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께, 전극 적층체(102)의 이송 속도, 분리막 시트(131)의 물성 등을 종합적으로 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들면, 전극 적층체(102)의 두께와 넓이가 증가할수록 초기 압력값을 증가시킬 수 있다. 또한, 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께가 두꺼울수록 제2전극(12)과 제2분리막 시트(131b)간의 단차가 커지므로, 라미 롤러부(153)와 제2전극(12)의 에지부(E)의 충격을 완화시키기 위해 압력 조절부(155)의 초기 압력값을 상대적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께가 얇아질수록 상대적으로 약한 충격에도 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 증가되므로, 분리막 시트(131)의 손상을 최소화하기 위해 압력 조절부(155)의 초기 압력값을 상대적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 라미 롤러부(153)의 압력이 동일한 경우에도 전극 적층체(102)의 이송 속도가 빨라질수록 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 증가되므로, 분리막 시트(131)의 손상을 최소화하기 위해 압력 조절부(155)의 초기 압력값을 상대적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 제어부(180)에는 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정된다. 제어부(180)는 산출 명도값이 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어한다. 상기한 명도값은 아래에서 설명할 비전부(170)에서 촬영된 분리막 시트의 명암이 어둡거나 밝은 정도를 수치화한 것이다. 이러한 명도값이 높을수록 촬영 이미지(IM)의 명암이 밝아지고, 명도값이 낮을수록 촬영 이미지(IM)의 명암이 어두워진다.
이때, 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위는 전극 적층체(102)의 두께 및 넓이, 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께, 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께, 전극 적층체(102)의 이송 속도, 분리막 시트(131)의 물성 등을 종합적으로 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
전극 적층체(102)가 라미네이션부(150)에 공급되는 초기에는, 압력 조절부(155)는 제어부(180)에 미리 설정된 초기 압력값으로 전극 적층체(102)를 가압한다. 그리고, 비전부(170)에서 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 판독하여 단위 셀(10)의 명도값(brightness value)이 제어부(180)에 미리 설정된 허용 명도 범위를 벗어나면, 압력 조절부(155)의 압력값을 실시간으로 보정한다.
최종 커터부(160)는 라미 롤러부(153)의 하류 측에 배치된다. 최종 커터부(160)는 분리막 시트(131)와 전극를 절단하여 단위 셀(10)을 형성한다. 이때, 최종 커터부(160)는 이웃한 2개의 전극 사이의 분리막 시트(131) 부분을 절단한다.
비전부(170)는 최종 커터부(160)의 하류 측에 배치되고, 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다. 이러한 비전부(170)는 최종 커터부(160)에서 절단된 단위 셀(10)에 광을 조사하고, 단위 셀(10)에서 반사된 광을 측정하여 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다.
제어부(180)는 비전부(170)에서 수신된 촬영 이미지(IM)의 명도값(brightness value)을 산출한다. 예들 들면, 제어부(180)는 산출 이미지(IM) 중에서 전극(111,12)의 에지부(E)와 접촉되는 분리막 부분(P: 도 3 및 도 5 참조)에 대응되는 산출 명도값을 산출한다. 그리고, 제어부(180)는 산출 명도값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어한다.
상기와 같이 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하는 것에 관해 상세히 설명하면 다음과 같다.
전극 적층체(102)가 라미네이션부(150)에 공급되면, 라미 롤러부(153)가 회전되면서 전극 적층체(102)를 압착한다. 이 때, 라미 롤러부(153)가 제2전극(12)의 상면에 위치되면, 전극 적층체(102)가 상대적으로 강하게 압착되고(도 3(a) 참조)된다. 라미 롤러부(153)가 이웃한 2개의 제2전극(12) 사이에 위치되면 전극 적층체(102)가 상대적으로 약하게 압착된다(도 3(b) 참조).
그런데, 상기 제2전극(12)들이 제2분리막 시트(131b)와 단차지게 적층되므로, 제2전극(12)의 에지부(E)가 상부 라미 롤러(153a)에 접촉될 때마다 제2전극(12)의 에지부(E)에 충격이 가해지게 된다. 더욱이, 이차전지의 생산성을 높이기 위해 상기 전극 적층체(102)가 라미 롤러부(153)에 빠른 속도로 공급될수록 상기 제2전극(12)의 에지부(E)에 가해지는 충격이 더욱 커질 수 있다. 이때, 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b)는 이온이 통과할 수 있는 다공성 재질로 형성되므로, 제2전극(12)의 에지부(E)가 충격에 의해 하측으로 압박됨에 따라 2분리막 시트(131)와 및 제1분리막 시트(131a)가 두께방향으로 눌리게 된다. 그리고, 제1분리막 시트(131a)와 제2 분리막 시트(131)에서 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 부분(P)이나 그 근처가 과도한 충격에 의해 눌린 자국이나 손상된 부분이 발생될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께가 증가될수록 제2전극(12)과 제2분리막 시트(131b)의 단차가 증가되므로, 라미 롤러부(153)와 제2전극(12)의 충격량이 커지게 된다. 또한, 상기 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께가 얇아질수록, 동일한 충격력이 분리막 시트(131)에 가해지더라도 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 더욱 증가될 수 있다.
상기한 전극 적층체(102)가 최종 커터부(160)에 의해 절단됨에 따라 단위 셀(10)이 생성된다. 비전부(170)가 단위 셀(10)의 하부에서 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다.
이때, 상기 단위 셀(10)의 분리막(13)에 눌림 자국이나 손상된 부분이 없는 경우, 분리막(13)의 촬영 이미지(IM)가 전체적으로 하얀 색상이나 그에 가까운 색상(낮은 명도)으로 나타난다. 이에 비해, 상기 분리막(13)에 눌림 자국이나 손상된 부분이 있는 경우, 분리막(13)의 촬영 이미지(IM)에서 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 부분(P)이나 그 근처 부분이 어두운 색상(높은 명도)으로 나타난다. 분리막(13)이 제2전극(13)에 의해 눌리는 힘이 강하면 강할수록 제2전극(13)의 에지부(E)에 대응되는 부분이 더욱 어두운 색상으로 나타난다. 도 9(a)에는 분리막(13)의 촬영 이미지(IM)에서 일부분의 명도가 낮은 부분(P1)이 생성되고, 도 9(b)에는 분리막(13)의 촬영 이미지(IM)에서 일부분의 명도가 높은 부분(P2)이 생성되는 예들 도시하였다.
한편, 상기 단위 셀(10)에서 제2전극(12)의 두께가 증가될수록, 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 분리막 부분(P)이 더욱 어두운 색상으로 나타나게 된다. 또한, 분리막(13)의 두께가 얇아질수록, 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 분리막 부분(P)이 더욱 어두운 색상으로 나타나게 된다. 또한, 손상된 부분의 손상 정도가 심할수록 명암이 더욱 어두워진다.
상기한 명도값이 높을수록 명암이 밝아지고, 명도값이 낮을수록 명암이 어두워지므로, 명도값이 낮을수록 분리막 시트(131)의 눌림 정도나 손상 정도가 심하다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 비전부(170)에서 촬영된 이미지(IM)의 명도값을 이용하여 분리막(13)의 손상 정도를 측정할 수 있는 것이다. 도 7은 미세한 손상 부분(P)이 생성된 촬영 이미지(IM)의 일 예를 도시한 것이고, 도 8은 미세한 손상 부분(P)이 생성된 분리막을 도시한 것이다.
라미 롤러부(153)가 제2전극(12)의 상면에 위치될 때의 압력을 기준으로 라미 롤러부(153)의 압력을 보정할 수 있다. 라미 롤러부(153)가 제2전극(12)의 상면에 위치될 때의 압력은 라미 롤러부(153)가 2개 제2전극(12) 사이에 위치될 때의 압력보다 압력 편차가 가장 작다. 이에 따라, 상기 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)를 가압하는 압력 중에서 가장 큰 압력을 기준으로 보정함으로써, 라미 롤러부(153)의 압력을 정확하게 보정할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제어부(180)는 비전 제어부(181) 및 자동 제어부(183)(PLC: Programmable Logic Controller)를 포함한다.
비전 제어부(181)는 비전부(170)에서 촬영된 이미지(IM)를 수신 받는다. 비전 제어부(181)는 비전부(170)에서 광을 조사하도록 비전부(170)를 제어하고, 비전부(170)에서 촬영된 촬영 이미지(IM)를 수신한다. 비전 제어부(181)로는 비전 컴퓨터를 제시한다.
자동 제어부(183)는 비전 제어부(181)에서 수신된 촬영 이미지(IM)를 연산하여 산출 명도값을 산출하고, 산출 명도값이 미리 설정된 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어한다.
자동 제어부(183)(PLC)는 입력 제어부(184), 데이터 메모리부(185), 프로세싱부(186), 프로그램 메모리부(187) 및 출력 제어부(188)를 포함한다. 입력 제어부(184)에는 입력부를 통해 촬영 이미지(IM)가 입력되고, 입력 제어부(184)는 촬영 이미지(IM)를 프로세싱부(186)에 전송한다. 프로세싱부(186)는 촬영 이미지(IM)를 연산하여 산출 명도값을 도출하고, 프로그램에 의해 산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어났다고 판단되면 압력 보정값을 연산한다. 이어, 출력 제어부(188)는 압력 보정값을 압력 조절부(155)에 출력하고, 압력 조절부(155)는 압력 보정값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 보정한다.
도 4를 참조하면, 최근에는 동일한 크기의 이차전지에서 충전 용량을 증대시키기 위해, 단위 셀(10)의 분리막(13)의 두께(t3,t4)를 얇게 형성하면서 전극(11,12)의 두께를 두껍게 형성한다. 예를 들면, 기존의 단위 셀(10)에서는 두께(t1,t2)가 대략 19-20um 정도의 분리막(13)이 사용되었으나, 최근에는 두께(t3,t4)가 16-14um 정도의 분리막(13)이 사용되고 있고 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 동일한 크기의 단위 셀(10)에서 분리막(13)의 두께(t3,t4)가 대략 25% 정도 감소되는 만큼, 전극(11,12)의 두께를 대략 25% 정도 증가시킬 수 있다.
상기한 분리막(13)의 두께(t3,t4)가 얇아지는 만큼, 두꺼운 전극(11,12)이 사용될 수 있다. 상기 전극(11,12)에는 집전체에 활물질이 도포되고, 집전체의 표면에는 활물질의 접착력을 높일 수 있도록 미세한 요철이 형성된다. 이에 따라, 전극(11,12)은 집전체 표면의 요철과 활물질층의 도포 편차에 의해 길이방향이나 폭방향으로 미세한 높이 편차가 발생될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체(102)가 라미네이션 장치(100)의 라미 롤러부(153)에서 압착되는 동안에 라미 롤러부(153)가 전극(11,12)의 높이 편차에 의해 미세하게 편심될 수 있다. 라미 롤러부(153)가 선행 전극(11,12)에 의해 편심된 상태에서 후행하는 전극(11,12)이 라미 롤러부(153)에 접근하면, 라미 롤러부(153)가 전극(11,12)의 에지부(E)에 충격을 가하게 되고, 전극(11,12)의 에지부(E)에 접촉하는 분리막 시트 부분(P)이 손상을 입게 된다. 이때, 라미 롤러부(153)가 계속적으로 동일한 압력으로 전극 적층체(102)를 가압하면, 분리막 시트(131)에서 손상된 부분이 빈번하게 발생됨에 따라 단위 셀(10)의 불량률이 증가될 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 단위 셀(10)의 촬영 이미지(IM)를 실시간으로 촬영하고, 촬영 이미지(IM)의 명도값이 허용 명도 범위에 속하는지를 판단하여 단위 셀(10)의 불량 여부를 판별한다. 또한, 특정의 단위 셀(10)이 불량으로 판별되면, 제어부(180)가 압력 조절부(155)를 제어하여 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하므로, 단위 셀(10)의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다.
상기 라미네이션 장치(100)는 라미 롤러부(153)의 압력을 보정한 후에도 일정 횟수 이상(일정 시간 동안) 산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 경고 신호를 발생시키는 알람부(190)를 더 포함한다. 이때, 라미 롤러부(153)의 압력 보정 후 산출 명도값이 일정 시간 동안 허용 명도 범위를 벗어나면, 알람부(190)가 경고음을 발생할 수 있다. 알람부(190)가 경고음을 알리면, 라미네이션 장치(100)의 제조 공정이 수동이나 자동으로 중단될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 비전부(180)에서 촬영된 이미지(IM)의 명도값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하므로, 전극 적층체(102)가 라미네이션되는 동안에 분리막 시트(131)가 손상되거나 과도하게 눌리는 것을 실시간으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 단위 셀(10)의 불량률을 현저히 낮출 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체(102)에 적층되는 전극(11,12)들이 집전체의 가공 오차, 활물질의 코팅 오차, 전극(11,12)과 분리막 시트(131)의 적층 오차 등에 의해 두께가 달라질 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 단위 셀(10)의 촬영 이미지(IM)의 명도값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하므로, 전극 적층체(10)에서 두께가 다른 전극(11,12)들과 라미 롤러부(153)의 충격을 완화시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 분리막 시트(131)의 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 비전부(180)에서 촬영된 이미지(IM)의 명도값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하므로, 상기 단위 셀(10)에서 분리막(13)의 두께(t3,t4)를 감소시키더라도 분리막(13)에 가해지는 충격을 완화시켜 분리막(13)의 손상 가능성을 현저히 낮출 수 있다. 이에 따라, 동일한 두께의 단위 셀(10)에서 분리막(13)이 얇아지는 만큼 전극(11,12)의 두께를 두껍게 할 수 있다. 나아가, 단위 셀(10)이 적층된 배터리 패키지에서 배터리의 용량을 현저히 증가시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 라미네이션 장치를 이용한 단위 셀 제조방법에 관해 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명에 따른 단위 셀의 제조방법을 개략적으로 도시한 플로우차트이다.
도 10을 참조하면, 전극 적층체(102)가 라미네이션부(150)에 공급된다. 이때, 히터부(151)가 전극 적층체(102)를 가열하고, 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)를 압착하여 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 적층한다(S11). 제어부(180)에는 압력 조절부(155)에 관한 초기 압력값이 미리 설정된다.
최종 커터부(160)가 전극 적층체(102)를 절단하여 단위 셀(10)을 형성한다(S12). 이때, 최종 커터부(160)는 이웃한 2개의 전극(11,12) 사이의 분리막 시트(131) 부분을 절단한다. 단위 셀(10)은 비전부(170)의 상측으로 이동된다.
비전부(170)가 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다(S13). 이때, 비전부(170)는 최종 커터부(160)에서 절단된 단위 셀(10)의 하부에 광을 조사하고, 단위 셀(10)에서 반사된 광을 측정하여 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다. 비전부(170)는 제어부(180)에 촬영 이미지(IM)를 전송한다.
제어부(180)는 비전부(170)로부터 수신된 촬영 이미지(IM)를 연산하여 명도값을 산출한다(S14). 이때, 제어부(180)는 산출 이미지(IM) 중에서 단위 셀(10)의 전극(11,12)의 에지부(E)와 접촉되는 분리막 부분(P)에 대응되는 산출 명도값을 산출한다.
이때, 상기 단위 셀(10)의 분리막 시트(131)가 라미 롤러부(153)에 의해 허용 범위 내에서 눌리는 경우, 분리막 시트(131)의 촬영 이미지(IM)가 전체적으로 하얀 색상이나 그에 가까운 색상(낮은 명도)으로 나타난다. 이에 반해, 상기 단위 셀(10)의 분리막 시트(131)가 라미 롤러부(153)에 의해 허용 범위를 초과하여 과도하게 눌리거나 손상되는 경우, 분리막 시트(131)의 촬영 이미지(IM)에서 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 부분이나 그 근처 부분이 어두운 색상(높은 명도)으로 나타난다. 분리막 시트(131)에서 전극에 의해 눌리는 힘이 강하면 강할수록 상기 전극의 에지부(E)에 대응되는 부분이 더욱 어두운 색상으로 나타난다.
또한, 상기 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께가 증가될수록 제2전극(12)과 제2분리막 시트(131b)의 단차가 증가되므로, 제2전극(12)과 분리막 시트(131)의 충격량이 커지게 된다. 또한, 상기 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께가 얇아질수록 제2전극(12)의 충격력에 의해 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 더욱 증가될 수 있다. 상기 라미 롤러부(153)의 압력이 동일한 경우에도 전극 적층체(102)의 이송 속도가 빨라질수록 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 증가될 수 있다.
제어부(180)는 산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어나는가를 판단한다(S15). 제어부(180)는 산출 명도값이 허용 명도 범위에 속한다고 판단되면, 라미 롤러부(153)의 압력을 그대로 유지한다.
제어부(180)는 산출 명도값이 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어한다(S16). 이때, 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위는 전극 적층체(102)의 두께 및 넓이, 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께, 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께, 전극 적층체(102)의 이송 속도, 분리막 시트(131)의 물성 등을 종합적으로 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
라미 롤러부(153)의 압력 보정은 라미 롤러부(153)가 제2전극(12)의 상면에 위치될 때의 압력을 기준으로 보정할 수 있다. 이에 따라, 상기 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)를 가압하는 압력 중에서 가장 큰 압력을 기준으로 보정함으로써, 라미 롤러부(153)의 압력량을 정확하게 보정할 수 있다.
이와 같이, 제1전극(11)의 에지부(E)가 라미 롤러부(153)에 접촉되는 순간에 제2전극(12)의 에지부(E)에 충격이 가해지며, 제2전극(12)의 에지부(E)와 접촉되는 분리막 시트 부분(P)이 충격에 의해 눌리거나 손상될 수 있다. 그리고, 전극 적층체(102)가 최종 커터부(160)에 의해 절단되면, 단위 셀(10)의 분리막(13)의 에지부(E)에 손상이 남게 되는데, 상기 비전부(170)가 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영하면 분리막(13)에서 눌린 부분이나 손상 부분의 명도값이 어둡게 나타날 수 있다. 이에 따라, 상기 명도값에 따라 단위 셀(10)의 불량 여부를 판별할 수 있다.
제어부(180)는 비전부(170)에서 실시간으로 촬영된 촬영 이미지(IM)를 연산하여 명도값을 다시 산출한다(S17).
산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어나는가를 다시 판단한다(S18). 이때, 라미 롤러부(153)의 압력 보정 후 산출 명도값이 일정 시간 동안 허용 명도 범위를 벗어나는지를 다시 판단한다.
알람부(190)가 알람을 발생하고, 라미네이션 장치(100)의 구동을 중단한다(S19, S20). 이때, 알람부(190)가 경고음을 알리면, 라미네이션 장치(100)의 제조 공정이 수동이나 자동으로 중단될 수 있다.
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.

Claims (19)

  1. 전극 적층체의 상측과 하측을 가압하여 분리막 시트와 전극을 적층하는 라미 롤러부;
    상기 라미 롤러부의 압력을 조절하도록 상기 라미 롤러부에 연결되는 압력 조절부;
    상기 라미 롤러부의 하류 측에 배치되고, 상기 전극 적층체에서 상기 분리막 시트와 상기 전극를 절단하여 단위 셀을 형성하는 최종 커터부;
    상기 최종 커터부의 하류 측에 배치되고, 상기 단위 셀의 이미지를 촬영하는 비전부; 및
    상기 비전부에서 수신된 상기 촬영 이미지의 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값에 따라 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는 제어부;를 포함하는, 라미네이션 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비전부는 상기 단위 셀을 촬영하도록 상기 단위 셀의 하측에 배치되는, 라미네이션 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 산출 이미지 중에서 상기 전극의 에지부와 접촉되는 분리막 부분에 대응되는 산출 명도값을 산출하는, 라미네이션 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부에는 상기 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정되고,
    상기 제어부는 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는, 라미네이션 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비전부는 상기 단위 셀의 이미지를 실시간으로 촬영하고,
    상기 제어부는 상기 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정하는, 라미네이션 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 라미 롤러부가 전극 적층체를 가압하는 압력 중에서 가장 큰 압력을 기준으로 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하는, 라미네이션 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비전부에서 촬영된 이미지를 수신받는 비전 제어부; 및
    상기 비전 제어부에서 수신된 상기 이미지를 연산하여 상기 산출 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값이 미리 설정된 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는 자동 제어부;를 포함하는, 라미네이션 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부에는 상기 압력 조절부의 초기 압력값이 미리 설정되는, 라미네이션 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 라미 롤러부는 상부 라미 롤러와 하부 라미 롤러를 포함하고,
    상기 하부 라미 롤러는 상기 분리막 시트의 하측에 고정되고,
    상기 압력 조절부는 상기 상부 라미 롤러를 승강시키도록 상기 상부 라미 롤러에 연결되는, 라미네이션 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 라미 롤러부의 압력을 보정한 후에도 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 경고음을 발생시키는 알람부;를 더 포함하는, 라미네이션 장치.
  11. 라미 롤러부가 전극 적층체를 압착하여 분리막 시트와 전극을 적층하는 라미네이션 단계;
    최종 커터부가 상기 전극 적층체를 절단하여 단위 셀을 형성하는 절단 단계;
    비전부가 상기 단위 셀의 이미지를 촬영하는 촬영 단계; 및
    제어부가 상기 비전부에서 수신된 촬영 이미지를 연산하여 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값에 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 압력 조절부를 제어하는 압력 보정 단계;를 포함하는, 단위 셀 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 비전부는 상기 단위 셀의 하측에서 상기 단위 셀의 이미지를 촬영하는, 단위 셀 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 산출 이미지 중에서 상기 단위 셀의 전극의 에지부와 접촉되는 분리막 부분에 대응되는 산출 명도값을 산출하는, 단위 셀 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부에는 상기 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정되고,
    상기 제어부는 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는, 단위 셀 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 비전부는 상기 단위 셀의 이미지를 실시간으로 촬영하고,
    상기 제어부는 상기 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정하는, 단위 셀 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 라미 롤러부가 전극 적층체를 가압하는 압력 중에서 가장 큰 압력을 기준으로 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하는, 단위 셀 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제어부에는 상기 압력 조절부의 초기 압력값이 미리 설정되는, 단위 셀 제조방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 압력 조절부는 상기 라미 롤러부의 상부 라미 롤러를 승강시켜 압력을 보정하는, 단위 셀 제조방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 라미 롤러부의 압력을 보정한 후에도 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 알람부가 경고음을 발생시키는 단계;를 더 포함하는, 단위 셀 제조방법.
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