WO2024111808A1 - 전극 조립체 제조 장치 및 전극 조립체 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴딩되는 바인더층을 포함하는 분리막 사이사이에 제1 전극 탭을 포함하는 복수의 제1 전극 및 제2 전극 탭을 포함하는 복수의 제2 전극이 교대로 배치되는 형태인 전극 조립체 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다. 이에 의해, 전극의 온도를 특정 온도 범위로 조절하기 용이하여 전극 간의 온도 편차를 줄일 수 있으므로, 성능이 균일한 전극 조립체를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 2022년 11월 22일에 각각 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2022-0157594호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 전극 조립체 제조 장치 및 전극 조립체 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
전극 조립체는 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 권취한 젤리 롤(Jelly-roll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리필름으로 권취한 스택 앤 폴딩형으로 대략 분류할 수 있다.
여기서, 스택 앤 폴딩형의 전극 조립체에서 분리막이 지그 재그로 폴딩되어 전극이 사이사이에 위치된 형태에서 다수의 전극을 사용하여 전극 조립체를 제조하게 된다.
이 과정에서 상기 전극과 분리막의 접착력을 확보하기 위해서 열과 압력을 가하게 된다. 다만, 다수의 전극을 사용하기 때문에 전극과 분리막의 접착력을 확보하기 위한 열과 압력을 가하기 위해서 다수의 시간이 필요하고, 전극 간의 온도 불균일성으로 인한 전극 조립체 성능 불균일성이 발생하는 문제가 있어 왔다.
본 발명은 전극 조립체 제조 장치 및 전극 조립체 제조 방법를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시상태는, 폴딩되는 바인더층을 포함하는 분리막 사이사이에 제1 전극 탭을 포함하는 복수의 제1 전극 및 제2 전극 탭을 포함하는 복수의 제2 전극이 교대로 배치되는 형태인 전극 조립체 제조 방법으로서, (a) 상기 제1 전극을 스택 테이블에 공급하는 단계; (b) 상기 제2 전극을 스택 테이블에 공급하는 단계; (c) 상기 분리막을 스택 테이블에 공급하는 단계; (d) 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태로 상기 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 스택 테이블 상에 적층하여 적층물을 제조하는 단계; (e) 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 각각 예비 용접하는 단계; (f) 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계; 및 (g) 상기 적층물을 가열 및 가압하는 단계를 포함하는 전극 조립체 제조 방법를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는, 폴딩되는 바인더층을 포함하는 분리막 사이사이에 제1 전극 탭을 포함하는 복수의 제1 전극 및 제2 전극 탭을 포함하는 복수의 제2 전극이 교대로 배치되는 형태인 전극 조립체를 제조하는 전극 조립체 제조 장치로서, 상기 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태의 적층물이 제조되도록 상기 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되는 스택 테이블; 상기 분리막을 상기 스택 테이블에 공급하는 분리막 공급부; 상기 제1 전극을 상기 스택 테이블에 공급하는 제1 전극 공급부; 상기 제2 전극을 상기 스택 테이블에 공급하는 제2 전극 공급부; 상기 스택 테이블에 적층된 상기 적층물을 가열 및 가압하는 프레스부; 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 예비 용접하는 예비 용접부; 및 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 가열부를 포함하는 전극 조립체 제조 장치를 제공한다.
본 출원의 실시상태에 따른 전극 조립체 제조 장치 및 전극 조립체 제조 방법은 전극 조립체를 제조하는 시간을 단축시킬 수 있다.
본 출원의 실시상태에 따른 전극 조립체 제조 장치 및 전극 조립체 제조 방법은 전극의 온도를 특정 온도 범위로 조절하기 용이하여 전극 간의 온도 편차를 줄일 수 있으므로, 성능이 균일한 전극 조립체를 제공할 수 있다.
도 1 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치의 개념을 나타낸 정면도이다.
도 3은 통상적인 전극 조립체를 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법 또는 제조 장치를 적용하여 과정을 예시적으로 나타낸 도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법 또는 제조 장치의 프레스하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 7(a)는 본 발명의 일 실시상태에 따른 제1 프레스부(50)를 도시한 사시도이고, 도 7(b)는 본 발명의 일 실시상태에 따른 제2 프레스부(60)를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 스택 테이블을 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 제1 전극 안착 테이블을 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 제2 전극 안착 테이블을 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 제1 석션 헤드를 나타낸 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 제1 석션 헤드를 나타낸 저면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 홀딩기구 및 스택 테이블을 나타낸 평면도이다.
<부호의 설명>
10: 전극 조립체
11: 제1 전극
11a: 제1 전극 탭
12: 제2 전극
12a: 제2 전극 탭
14: 분리막
51: 그리퍼
51a: 본체
51b: 고정부
100: 전극 조립체 제조 장치
110: 스택 테이블
111: 테이블 몸체
112: 스택 테이블 히터
120: 분리막 공급부
121: 분리막 히팅부
122: 분리막 롤
130: 제1 전극 공급부
131: 제1 전극 안착 테이블
132: 제1 전극 히터
133: 제1 전극 롤
134: 제1 커터
135: 제1 컨베이어 벨트
136: 제1 전극 공급 헤드
140: 제2 전극 공급부
141: 제2 전극 안착 테이블
142: 제2 전극 히터
143: 제2 전극 롤
144: 제2 커터
145: 제2 컨베이어 벨트
146: 제2 전극 공급 헤드
150: 제1 전극 스택부
151: 제1 석션 헤드
151a: 진공 흡입구
151b: 바닥면
152: 제1 헤드 히터
153: 제1 이동부
160: 제2 전극 스택부
161: 제2 석션 헤드
162: 제2 헤드 히터
163: 제2 이동부
170: 홀딩기구
171: 제1 홀딩기구
172: 제2 홀딩기구
180: 프레스부
181: 제1 가압블럭
182: 제2 가압블럭
183,184: 프레스 히터
190: 예비 용접부
191: 가열부
191a: 열선 프로브
191b: 열선 그리퍼
S: 적층물
A: 열화상 카메라
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구성에만 한정되지 않는다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, "홀딩기구"는 상기 스택 테이블 상에서 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태로 상기 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층된 적층물을 제조하는 과정에서 제1 전극 또는 제2 전극을 적층하기 위해서 상기 스택 테이블에 적층된 적층물을 파지하는 기능을 수행하는 것으로, 상기 적층물을 가열 및 가압을 하는 과정에서 상기 적층물을 파지하는 그리퍼와는 그 기능이 상이한 것이다.
본 명세서에서 "예비 용접"은 전극 탭과 전극 탭을 용접하는 것을 의미한다
본 명세서에서 "최종 용접"은 전극 탭과 전극 리드를 용접하는 것을 의미한다.
<전극 조립체 제조 방법>
본 발명의 일 실시상태는, 폴딩되는 바인더층을 포함하는 분리막 사이사이에 제1 전극 탭을 포함하는 복수의 제1 전극 및 제2 전극 탭을 포함하는 복수의 제2 전극이 교대로 배치되는 형태인 전극 조립체 제조 방법으로서, 상기 (a) 내지 (g) 단계를 포함하는 전극 조립체 제조 방법을 제공한다. 그 중에서 상기 (e) 단계 내지 (g) 단계를 포함하는 것이 주요 특징이다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계인 (f) 단계는 전극 탭에 가해진 열이 전도 현상을 통해서 전극 전체가 가열되는 과정을 의미한다.
본 발명의 일 실시상태의 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 각각 예비 용접하는 단계인 (e) 단계는 상기 적층물에 포함되는 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 각각 예비 용접하는 단계를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태의 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계는 상기 적층물에 포함되는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계를 의미할 수 있다. 또한, 공급되는 전극은 각각 전극 탭을 포함할 수 있다.
본 명세서에 있어서 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태로 적층되는 것을 지그 재그 스태킹(Zig Zag stacking)이라고 한다.
본 발명은 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태로 상기 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 스택 테이블 상에 적층하여 적층물을 제조하고, 상기 전극의 전극 탭을 예비 용접한 후, 상기 예비 용접된 부분을 절단하기 전에 상기 예비 용접된 부분을 이용하여 상기 적층물 내의 전극의 온도를 조절하는 것이 특징이다. 즉, 상기 예비 용접된 부분에 열을 가함으로써, 상기 적층물 내의 전극을 가열하는 것이 특징이다.
이를 통해서, 본 발명의 전극 조립체 제조 방법은 전극 조립체를 제조하는 시간을 단축시킬 수 있고, 전극의 온도를 특정 온도 범위로 조절하기 용이하기 때문에 이를 통해 제조된 전극 조립체는 전극 간의 온도 편차를 줄일 수 있으므로, 성능이 균일한 전극 조립체를 제공할 수 있다.
또한, 바인더 층을 포함하는 분리막의 접착력을 이용함으로써, 상기 전극 조립체는 전극의 위치가 틀어지지 않도록 정렬시켜 고정할 수 있어, 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막은 바인더 층을 포함하는 것일 수 있다. 상기 바인더 층은 1 이상의 입자상의 바인더 수지 및 1 이상의 무기물 입자을 포함하는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막은 다공성의 고분자 기재 및 상기 고분자 기재의 적어도 일측면에 형성된 유기/무기 복합 다공성 코팅층을 포함하고, 상기 유기/무기 복합 다공성 코팅층은 1 이상의 입자상의 바인더 수지 및 1 이상의 무기물 입자을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 유기/무기 복합 다공성 코팅층에 포함되는 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 무기물 입자는 적용되는 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기화학소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있다. 또한, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 또는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합체를 포함할 수 있다. 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC, TiO2등을 각각 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 전술한 고유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), Li3.25Ge0.25P0.75S4등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 glass(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5등과 같은 P2S5 계열 glass(LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
상기 유기/무기 복합 다공성 코팅층에서, 상기 무기물 입자의 함량비는 최종 제조되는 유기/무기 복합 다공성 코팅층의 두께, 기공 크기 및 기공도를 고려하여 결정하되, 중량비를 기준으로 다공성 코팅층 100중량% 대비 무기물 입자가 70 중량% 내지 99중량%의 범위로 포함될 수 있다. 상기 무기물 입자의 함량이 70 중량% 미만일 경우 내열성이 저하될 수 있다. 반면, 무기물 입자의 함량이 지나치게 많은 경우에는 바인더의 양이 너무 적기 때문에 다공성 코팅층의 접착력이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 입자상의 바인더 수지는 불소계 고분자 및 아크릴계 고분자 입자 및 아크릴계 고분자의 혼성 고분자 입자로 이루어진 군에서 선택된 1 이상를 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지가 불소계 고분자와 아크릴계 고분자 입자 또는 아크릴계 고분자의 혼성 고분자 입자를 포함함으로써, 전해액의 함침 전후로 분리막의 접착력을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다. 이는 전극 조립체 형태 안정성이 개선될 수 있음을 의미하고, 이를 통해서 균일한 성능의 전극 조립체 제공이 더욱 용이한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 불소계 고분자는 불화비닐리덴의 단독 중합체, 불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 불소계 고분자는 전해액에 대하여 불용성이므로, 아크릴계 고분자를 동시에 포함하더라도 혼성 고분자 입자들은 전해액에 함침되어 접착력이 유지되어 형상을 유지할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 혼성 고분자 입자들을 구성하는 아크릴계 고분자와 상기 아크릴계 고분자 입자들을 구성하는 아크릴계 고분자는 각각 서로 독립적으로 탄소수가 1 내지 18인 알킬 그룹을 갖는 알킬 (메타)아크릴레이트 반복단위를 포함하는 것일 수 있다. 상기 아크릴계 고분자 입자는 전해액에 함침되 전 상태, 즉 건조 상태에서 전극에 대한 분리막의 접착력을 유지하는데 기여할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 양극으로 구성되고, 상기 제2 전극은 음극으로 구성될 수 있지만, 본 발명이 여기에 반드시 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 제1 전극이 음극으로 구성되고, 상기 제2 전극이 양극으로 구성될 수 있다. 그에 따라서, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 탭은 양극 탭이고, 상기 제2 전극 탭은 음극 탭으로 구성될 수 있지만, 본 발명이 여기에 반드시 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 제1 전극 탭이 음극 탭으로 구성되고, 제2 전극 탭이 양극 탭으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭을 포함할 수 있으며, 상술한 바와 같이 각각 양극 탭 또는 음극 탭일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 (f) 단계에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 온도가 각각 하기 식 1을 만족하도록 가열하는 것일 수 있다.
[식 1]
Tg-1 < T ≤ Tg+1
상기 식 1에 있어서, Tg는 상기 분리막의 바인더층의 유리 전이 온도를 의미하고, T는 가열된 제1 전극 또는 가열된 제2 전극의 온도를 의미한다.
상기 온도 범위를 만족하는 경우, 본 발명의 전극 조립체 제조 방법의 공정 속도를 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 제조된 전극 조립체는 접착력의 편차가 적고, 통기도가 우수하여 성능이 우수하고 균일한 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 (f) 단계에서, 상기 적층물의 상면의 온도 분포를 측정하는 단계; 상기 측정된 온도 분포에 따라서 가열하는 온도를 설정하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계를 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 적층물의 상면의 온도 분포를 측정하고 상기 온도 분포를 활용하여 전극의 온도를 특정 온도로 조절하기 위해서 가열하는 온도를 설정할 수 있다. 이 때, 전극의 온도를 특정 온도로 조절하는 과정에서 상기 식 1의 조건을 만족시키기 위한 것일 수 있다.
이를 통해서 본 발명의 전극 조립체 제조 방법의 공정 속도를 더욱 효과적을 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 제조된 전극 조립체는 접착력의 편차가 적고, 통기도가 우수하여 성능이 우수하고 균일한 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 (f) 단계는 열선 프로브(probe) 또는 열선 그리퍼(gripper)에 의해 이루어지는 것일 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 (f) 단계는 열선 프로브(probe) 또는 열선 그리퍼(gripper)가 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭에 각각 연결됨으로써 가열이 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 열선 프로브 또는 열선 그리퍼에서 발생한 열은 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 통해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전달되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 적층물의 두께는 1,000 ㎛ 이상, 50,000 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 적층물의 두께는 상기 전극의 전극부의 두께를 의미한다. 상기 전극부는 상기 전극 중 전극 탭 부분이 아닌 전극 집전체 및 상기 전극 집전체에 활물질이 도포되어 형성되는 부분을 의미한다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극 탭부의 두께는 10 ㎛ 이상, 1,000 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 전극 탭부는 전극 탭을 포함하는 전극 중 전극 탭에 해당하는 영역을 의미한다. 상기 전극 탭부의 두께는 적층된 전극의 수에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 적층물의 두께는 1,000 ㎛ 이상, 3,000 ㎛ 미만인 경우, 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계는 열선 프로브(probe)에 의해 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 적층물의 두께는 3,000 ㎛ 이상, 50,000 ㎛ 이하인 경우, 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계는 열선 그리퍼(gripper)에 의해 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계가 진행되는 동안 상기 적층물에 대한 가열 및 가압은 진행되지 않는다.
또 다른 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계 및 상기 적층물에 대한 가열 및 가압은 동시에 진행될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 (f) 단계 및 상기 (g) 단계는 순차적으로 진행되거나 역순으로 진행되거나 또는 동시에 진행되는 것 중에서 선택되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계는 상기 적층물을 가압하기 전의 상기 적층물의 표면 온도를 기준으로 가열하고자 하는 온도를 조절할 수 있다.
즉, 상기 적층물의 두께가 상대적으로 두껍지 않은 경우에는 열선 프로브(probe)만으로도 상기 적층물 내의 전극의 온도 범위를 조절할 수 있으나, 상기 적층물의 두께가 일정 두께 이상을 가지는 경우에는 열선 그리퍼(gripper)와 같은 별도의 장치가 필요할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 예비 용접이 되는 위치는 전극 조립체 단부로부터 상기 전극 탭들의 이격 거리가 전극조립체 두께의 20% 이상의 위치인 것일 수 있다.
상기 예비 용접하는 위치가 상기 전극 조립체 단부와 너무 가까울 경우, 전극 조립체 자체에 손상이 발생할 수 있으므로, 상기 범위를 충족하는 것이 전지의 성능 측면에서 유리하다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 (e) 단계는 상기 스택 테이블 상에서 이루어지는 것일 수 있다.
또 다른 본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 (g) 단계는 프레스부에서 이루어지는 것일 수 있다. 상기 프레스부에 대한 설명은 후술하는 전극 조립체 제조 장치의 프레스부에 대한 설명이 적용될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 (g) 단계는 상기 적층물을 그리퍼로 파지하고 적층물을 가열 및 가압하는 제1 차 히트 프레스 단계; 및 상기 제1 차 히트 프레스 단계 이 후, 상기 그리퍼의 파지를 중지하고, 상기 적층물을 가열 및 가압하는 제2 차 히트 프레스 단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 차 히트 프레스 단계는 상기 적층물을 그리퍼를 이용하여 상기 적층물의 상면을 가압하여 고정시키는 단계; 상기 그리퍼로 고정된 적층물을 프레스 히터를 포함하는 한 쌍의 가압 블록 사이로 이동시키는 단계; 상기 한 쌍의 가압블럭이 상기 적층물의 적층축을 따라서 상호 마주보는 방향으로 이동되며 고정된 상기 적층물을 면 가압하는 단계; 및 상기 프레스 히터에 의해 고정된 상기 적층물을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 차 히트 프레스 단계는 상기 제1 차 히트 프레스 단계 이 후 상기 적층물의 가열 및 가압을 중지하는 단계; 상기 그리퍼를 상기 적층물로부터 이격시키는 단계; 상기 그리퍼가 이격된 적층물을 프레스 히터를 포함하는 한 쌍의 가압 블록 사이로 이동시키는 단계; 상기 한 쌍의 가압블럭이 상기 그리퍼가 이격된 적층물의 적층축을 따라서 상호 마주보는 방향으로 이동되며 상기 적층물을 가압하는 단계; 및 상기 프레스 히터에 의해 상기 적층물을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 차 히트 프레스 단계에서 사용되는 가압블럭의 경우, 그리퍼에 대응되는 홈을 가질 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 그리퍼를 상기 적층물로부터 이격시키는 단계는 상기 그리퍼를 이용하여 상기 적층물의 상면을 가압하는 것을 중지하는 단계; 및 상기 그리퍼를 상기 적층물로부터 이격시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 히트 프레스 단계(제1 차 및 제2 차 히트프레스 단계 포함)에서 상기 적층물을 프레스 히터를 포함하는 한 쌍의 가압블럭 사이로 이동시키는 단계는 상기 적층물 자체만 이동하는 경우뿐 아니라 상기 적층물이 스택 테이블에 놓여진 상태로 함께 이동하는 경우도 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 한 쌍의 가압블럭 및 상기 프레스 히터에 가열 및 가압되는 대상은 적층물 및 스택 테이블을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 (g) 단계 이후, 상기 예비 용접된 부분의 일부를 커팅하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 (f) 단계 이후, 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭 각각에 전극 리드를 연결하는 최종 용접을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예비 용접된 부분을 이용하여 가열하는 것이 최종 용접된 부분을 이용하는 것보다 더 넓은 면적을 이용할 수 있으므로 가열하기 더 용이하고, 최종적으로 가열 및 가압하기 전에 가열을 해야 본 발명의 효과를 달성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 예비 용접 및 최종 용접은 각각 초음파 용접에 의한 것일 수 있다. 상기 초음파 용접은 10kHz ~ 75kHz의 초음파 진동을 발생시키고, 금속 간의 초음파 진동 마찰열을 통해 금속을 용접하는 기법이다. 즉, 최종 용접은 전극 탭과 전극 리드가 서로 접촉된 상태에서 초음파 용접 장치에 의해 초음파 진동이 가해지면, 전극 탭과 전극 리드 간의 접촉면에서 마찰열이 발생하고, 이 마찰열로 인하여 전극 탭과 전극 리드가 서로 용접된다. 이를 위해서 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 초음파 용접 장치가 사용될 수 있다.
또한, 예비 용접은 전극 탭과 전극 탭이 서로 접촉된 상태인 점을 제외하면 최종 용접에 대한 설명이 적용될 수 있다.
<전극 조립체 제조 장치>
본 발명의 일 실시상태는, 폴딩되는 바인더층을 포함하는 분리막 사이사이에 제1 전극 탭을 포함하는 복수의 제1 전극 및 제2 전극 탭을 포함하는 복수의 제2 전극이 교대로 배치되는 형태인 전극 조립체를 제조하는 전극 조립체 제조 장치로서, 상기 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태의 적층물이 제조되도록 상기 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되는 스택 테이블; 상기 분리막을 상기 스택 테이블에 공급하는 분리막 공급부; 상기 제1 전극을 상기 스택 테이블에 공급하는 제1 전극 공급부; 상기 제2 전극을 상기 스택 테이블에 공급하는 제2 전극 공급부; 상기 스택 테이블에 적층된 상기 적층물을 가열 및 가압하는 프레스부; 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 예비 용접하는 예비 용접부; 및 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 가열부를 포함하는 전극 조립체 제조 장치를 제공한다.
본 명세서에 있어서 "부"는 전극 조립체 제조 장치 내에서 특정 기능을 수행하는 인터페이스(interface)를 의미한다.
즉, 본 명세서에 있어서, 상기 "가열부"는 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 이용하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 온도를 특정 범위로 조절하는 기능을 수행하는 인터페이스(interface)를 의미한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열부에 의해 가열된 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 온도가 각각 상기 식 1을 만족하는 것일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열부에 의해 가열하기 전 상기 적층물의 상면의 온도 분포를 측정하고, 가열 온도 조건을 설정하는 가열 제어부를 더 포함하는 것일 수 있다. 즉, 본 명세서에 있어서, 상기"가열 제어부"는 상기 가열부에 의해 가열하기 전 상기 적층물의 상면의 온도 분포를 측정하고, 가열 온도 조건을 설정하는 기능을 수행하는 인터페이스(interface)를 의미한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열부는 상기 프레스부의 일면에 부착된 열선 프로브(probe) 또는 별도의 열선 그리퍼(gripper)일 수 있다. 이와 관련해서는 상기 적층물의 두께에 따라 열선 프로브(probe) 또는 별도의 열선 그리퍼(gripper)를 사용한다고 설명한 상술한 내용이 적용될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 프레스부는 한 쌍의 가압블럭으로 구성되고, 상기 한 쌍의 가압블럭이 상호 마주보는 방향으로 이동되며 상기 테이블에 적층된 상기 적층물을 면 가압하는 것일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 분리막의 공급은 분리막 시트 형태로 공급되는 것일 수 있다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예인 전극 조립체 제조 장치 및 전극 조립체 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치를 예시적으로 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치의 개념을 나타낸 정면도이다. 여기서, 편의상 도 1에서는 도 2에 도시된 홀딩기구(170), 예비 용접부(190) 및 가열부(191)를 생략하여 도시하였고, 평면도 상으로 후방측에 위치된 프레스부(180)를 점선으로 도시하였으며, 도 2에서는 도 1에 도시된 분리막 공급부(120)를 생략하여 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(100)는 스택 테이블(110)과, 분리막(14)을 히팅시키며 공급하는 분리막 공급부(120)와, 제1 전극(11)을 히팅시키며 공급하는 제1 전극 공급부(130)와, 제2 전극(12)을 히팅시키며 공급하는 제2 전극 공급부(140)와, 제1 전극(11)을 스택 테이블(110)에 적층시키는 제1 전극 스택부(150)와, 제2 전극(12)을 스택 테이블(110)에 적층시키는 제2 전극 스택부(160), 및 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이를 접착시키는 프레스부(180)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(100)는 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 스택 테이블(110)에 적층될 때 고정하는 홀딩기구(170)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 적층물에 포함되는 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 예비 용접하는 예비 용접부(190) 및 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 적층물에 포함되는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 가열부(191)를 더 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치 또는 전극 조립체 제조 방법을 통해 제조되는 전극 조립체를 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(100)는 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12)을 적층시켜 전극 조립체(10)를 제조하는 장치이다.
도 3을 참고하면, 전극 조립체(10)는 충방전이 가능한 발전소자로서, 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12)이 교대로 적층되어 결집된 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 전극 조립체(10)는 예를 들어 분리막(14)이 지그 재그 형태로 폴딩되고, 폴딩되는 분리막(14) 사이사이에 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 교대로 배치되는 형태일 수 있다. 이때, 전극 조립체(10)는 최외각을 분리막(14)이 감싼 형태로 구비될 수 있다.
한편, 제1 전극 공급부(130)는 제1 전극(11)이 시트(Sheet) 형태로 권취되는 제1 전극 롤(133)과, 제1 전극 롤(133)에 권취된 시트 형태의 제1 전극(11)이 풀어지며 공급될 때 일정간격으로 절단하여 소정 크기의 제1 전극(11)을 형성시키는 제1 커터(cutter)(134)와, 제1 커터(134)에 절단된 제1 전극(11)을 이동시키는 제1 컨베이어 벨트(conveyer belt)(135)와, 제1 컨베이어 벨트(135)에 의해 이송되는 제1 전극(11)을 진공 흡착하여 제1 전극 안착 테이블(131)에 안착시키는 제1 전극 공급 헤드(136)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 커터(134)는 시트 형태의 제1 전극(11)을 절단 시 단부에 제1 전극 탭이 돌출 형성되도록 커팅 할 수 있다.
제2 전극 공급부(140)는 제2 전극(12)이 시트(Sheet) 형태로 권취되는 제2 전극 롤(143)과, 제2 전극 롤(143)에 권취된 시트 형태의 제2 전극(12)이 풀어지며 공급될 때 일정간격으로 절단하여 소정 크기의 제2 전극(12)을 형성시키는 제2 커터(144)와, 제2 커터(144)에 절단된 제2 전극(12)을 이동시키는 제2 컨베이어 벨트(145)와, 제2 컨베이어 벨트(145)에 의해 이송되는 제2 전극(12)을 진공 흡착하여 제2 전극 안착 테이블(141)에 안착시키는 제2 전극 공급 헤드(146)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제2 커터(144)는 시트 형태의 제2 전극(12)을 절단 시 단부에 제2 전극 탭이 돌출 형성되도록 커팅 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(100)의 작동에 대해서 도 1 내지 도 3을 참고하면, 분리막 롤(122)에 권취된 분리막(14)이 분리막 히팅부(121)를 통과하며 공급된다. 즉, 상기 분리막 히팅부(121)를 통과하는 과정에서 상기 분리막(14) 히팅되고, 상기 히팅된 분리막(14)이 스택 테이블(110)로 공급된다. 이렇게 공급된 상기 분리막(14)이 스택 테이블(110)에 적층되고, 가열된 스택 테이블(110)에 의해 분리막(14)이 히팅된다.
그리고, 제1 전극 공급부(130)로부터 제1 전극(11)이 히팅되어 제1 전극 스택부(150)로 공급되면, 제1 전극 스택부(150)에서 제1 전극(11)을 스택 테이블(110)에 적층된 분리막(14)의 상면에 가열하며 적층시킨다.
이때, 제1 전극(11)의 상면을 홀딩기구(170)가 가압하여 스택 테이블(110)에서 제1 전극(11)이 이탈되지 않도록 고정한다.
이후, 스택 테이블(110)이 제2 전극 스택부(160) 방향으로 회전되면, 분리막(14)이 계속적으로 공급되며 제1 전극(11)의 상면을 덮게된다.
그리고, 제2 전극 공급부(140)로부터 히팅되어 공급되는 제2 전극(12)을 제2 전극 스택부(160)가 제1 전극(11)의 상면을 덮고 있는 분리막(14) 부분에 적층시킨다. 여기서, 제2 전극 스택부(160)에서 제2 석션 헤드(161)가 제2 전극(12)을 가압하며 가열하여 제2 전극(12)을 계속적으로 가열시킨다.
이때, 제1 전극(11)의 상면을 가압하고 있는 홀딩기구(170)가 가압부위에서 이탈된 후 제2 전극(12)의 상면을 가압하여 제2 전극(12)을 포함하는 적층물이 스택 테이블(110)에서 이탈되지 않도록 한다.
이후, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)을 적층하는 과정을 반복하며 분리막(14)이 지그 재그(Zig Zag) 폴딩되며 제1 전극(11) 및 제2 전극(12) 사이에 분리막(14)이 위치되는 적층물을 형성시킬 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예 따른 전극 조립체 제조 방법 또는 장치의 경우 도 4에 나타난 바와 같이 상기 적층물의 두께는 1,000 ㎛ 이상, 3,000 ㎛ 미만인 경우(상대적으로 적층물의 두께가 작은 경우에 해당), 상기 제1 전극 탭(11a) 및 상기 제2 전극 탭(12a)의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 적층물(S)에 포함되는 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)을 각각 가열하는 단계는 프레스부(180)를 구성하는 한 쌍의 가압블럭(181, 182) 중 상부 가압블럭(182)에 부착된 열선 프로브(191a)에 의해서 가열되는 것 수 있다. 구체적으로, 상기 적층물(S)은 적층된 전극 숫자만큼의 전극 탭(11a, 12a)를 포함하고, 상기 예비 용접부(190)에 의해서 상기 전극 탭(11a, 12a)가 예비 용접되어 하나의 그룹을 형성하게 된다. 이 후, 예비 용접된 부분의 컷팅 없이 상기 적층물(S)은 프레스부(180)로 이동하게 되고, 상기 열선 프로브(191a)가 상기 적층물의 전극 탭(11a, 12a)가 예비 용접된 부분에 접촉하여 의해서 가열을 진행할 수 있다. 이 때, 열화상 카메라(A)에 의해서 상기 가열을 진행하기 위한 온도 조건을 설정할 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 적층물(S)을 가압하기 전의 상기 적층물(S)의 표면 온도를 기준으로 온도 조건을 설정할 수 있다. 또한, 상기 적층물(S)이 상기 한 쌍의 가압블럭(181, 182)에 가압되기 전 상부 가압블럭(182)에 부착된 열선 프로브(191a)가 상기 적층물(S)에 먼저 닿는 구조를 가지고 있다.
본 명세서에서 도 4를 제외하고, 프레스부에 열선 프로브의 모습은 편의상 다른 도면에서 생략하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예 따른 전극 조립체 제조 방법 또는 장치의 경우 도 5에 나타난 바와 같이 상기 적층물의 두께는 3,000 ㎛ 이상, 50,000 ㎛ 이하인 경우(상대적으로 적층물의 두께가 큰 경우에 해당), 상기 제1 전극 탭(11a) 및 상기 제2 전극 탭(12a)의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 적층물(S)에 포함되는 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)을 각각 가열하는 단계는 열선 그리퍼(191b)에 의해서 가열되는 것 수 있다. 구체적으로, 상기 적층물(S)은 적층된 전극 숫자만큼의 전극 탭(11a, 12a)를 포함하고, 상기 예비 용접부(190)에 의해서 상기 전극 탭(11a, 12a)가 예비 용접되어 하나의 그룹을 형성하게 된다. 이 후, 예비 용접된 부분의 컷팅 없이 상기 적층물(S)은 프레스부(180)로 이동하게 되고, 상기 열선 그리퍼(191b)가 상기 적층물의 전극 탭(11a, 12a)가 예비 용접된 부분에 접촉하여 의해서 가열을 진행할 수 있다. 이 때, 열화상 카메라(A)에 의해서 상기 가열을 진행하기 위한 온도 조건을 설정할 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 적층물(S)을 가압하기 전의 상기 적층물(S)의 표면 온도를 기준으로 온도 조건을 설정할 수 있다. 도 4와 다르게 상기 적층물(S)이 두께가 큰 경우, 상기 한 쌍의 가압블럭(181, 182)에 가압되기 전 상부 가압블럭(182)에 부착된 열선 프로브(191a)가 상기 적층물(S)에 먼저 닿는 구조를 가질 수 없으므로 별도의 열선 그리퍼(191b)를 통해서 가열이 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 도 5를 제외하고, 열선 그리퍼의 모습은 편의상 다른 도면에서 생략하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치의 프레스부 및 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 프레스부가 적층물을 가압하는 상태를 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 1, 도 2 및 도 6을 참고하면, 상술한 바와 같이 제조된 적층물(S)을 프레스부(180)로 이동시키고, 프레스부(180)에서 적층물(S)을 열을 가하며 가압하여 가열된 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이를 접착시켜 전극 조립체(10)를 제조할 수 있다. 이때, 가열된 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이가 프레스부(180)를 통해 열이 가해지며 가압되어 열융착될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(100)는 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12)을 가열하며 적층시키고, 프레스부(180)로 열을 가하며 가압하여 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이를 접착시킴으로써, 전극 조립체(10)의 폴딩 풀어짐을 방지하고, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 전극 조립체(10)에서 적층 위치가 틀어지는 것을 방지할 수 있다.
보다 구체적으로, 프레스부(180)는 한 쌍의 가압블럭(181,182)을 포함하여, 상기 한 쌍의 가압블럭(181, 182) 사이에 제1 전극(11), 분리막(14) 및 제2 전극(12)의 적층물이 배치될 수 있다. 이후, 한 쌍의 가압블럭(181,182)이 상호 마주보는 방향으로 이동되며, 상기 프레스부(180)는 상기 적층물을 가열 및 가압하면서 상기 적층된 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이를 접착시킬 수 있다.
아울러, 프레스부(180)는 한 쌍의 가압블럭(181,182)을 가열하는 프레스 히터(183,184)를 더 포함하여, 한 쌍의 가압블럭(181,182)이 상기 적층물을 가열 및 가압할 수 있다. 이에 따라, 상기 적층물 내의 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이의 열융착이 보다 잘 이루어져 보다 견고한 접착이 가능할 수 있다.
한 쌍의 가압블럭(181,182)은 가압면의 가로 및 세로 길이는 상기 적층물의 가로 및 세로 길이보다 더 길게 형성될 수 있다. 그리고, 한 쌍의 가압블럭(181,182)은 제1 가압블럭(181) 및 제2 가압블럭(182)을 포함하고, 제1 가압블럭(181) 및 제2 가압블럭(182)은 직육면체 형태의 사각형 블록으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 프레스(press)부는 한 쌍의 가압블럭 및 상기 가압블럭을 가열하는 프레스 히터를 더 포함하여, 한 쌍의 상기 가압블럭이 상호 마주보는 방향으로 이동되며 상기 적층물을 면 가압하고, 상기 프레스 히터에 의해 상기 적층물을 가열하는 것일 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 한 쌍의 가압블럭이 상기 프레스 히터를 내부에 포함하는 것일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 프레스부는 제1 프레스부 및 제2 프레스부를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 프레스부 및 제2 프레스부는 각각 상술한 제1 차 히트 프레스 단계 및 제2 차 히트 프레스 단계에 적용되는 것일 수 있으며, 상술한 내용이 적용될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 프레스부는 한 쌍의 제1 가압블럭을 포함하고, 한 쌍의 제1 가압블럭의 가압면은 상기 그리퍼에 대응되는 형태의 홈을 포함하고, 상기 홈 외의 가압면은 평면으로 구비되는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 프레스부는 상술한 제1 차 히트 프레스 단계에서 적용되는 것일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 프레스부는 한 쌍의 제2 가압블럭을 포함하고, 한 쌍의 제2 가압블럭의 가압면은 평면으로 구비되는 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 프레스부는 상술한 제2 차 히트 프레스 단계에서 적용되는 것일 수 있다.
도 7(a)는 본 발명의 일 실시상태에 따른 제1 프레스부(50)를 도시한 사시도이고, 도 7(b)는 본 발명의 일 실시상태에 따른 제2 프레스부(60)를 도시한 사시도이다.
도 7(a)를 참고하면 제1 프레스부(50)는 그리퍼(51)로 적층물(S)을 고정한 상태로 가열 및 가압할 수 있다. 상기 제1 프레스부(50)는 한 쌍의 제1 가압블럭(50a. 50b)으로 구성되어 있고, 상기 한 쌍의 제1 가압블럭(50a. 50b)은 상기 그리퍼(51)의 고정부(51b)와 대응되는 형태의 홈을 제외하면 가압하는 가압면이 모두 평면으로 구비되어 있다.
상기 그리퍼(51)는 상기 적층물(S)의 길이(x) 및 높이(y)와 대응되거나, 적층물(S)의 길이(x) 및 높이(y) 보다 넓게 구비된 본체(51a)와 본체(51a)의 일면에 복수개가 구비되고 적층물(S)의 폭(z) 방향을 따라 기둥 또는 판 형태로 구비되는 고정부(51b)를 포함할 수 있다. 여기서, 적층물(S)의 길이(x)는 적층물(S)의 한 끝에서 다른 끝까지 거리가 가장 긴 부분을 의미하고, 높이(y)는 적층물(S)의 적층 방향의 거리를 의미하고, 폭(z)은 적층물(S)의 상면을 가로로 건너지른 거리를 의미할 수 있다.
상기 고정부(51b)는 상기 본체(51a)의 높이 방향을 따라 위치 조절이 가능하여 상기 고정부(51b)는 적층물(S)의 상면 및 하면과 접촉하여 적층물(S), 적층물(S) 을 고정할 수 있다. 이 후, 상기 제1 프레스부(50)에 포함된 한 쌍의 제1 가압블럭(50a. 50b)은 상호 마주보는 방향으로 이동되며 적층물(S) 및 그리퍼(51) 중 어느 하나 이상을 면 가압하여, 상기 적층물(S)에 포함된 전극 및 분리막 사이를 접착시킬 수 있다.
도 7(b)를 참고하면 제2 프레스부(60)는 상기 제1 프레스부(50)에 의해 1차적으로 가열 및 가압된 적층물(S)을 최종적으로 가열 및 가압할 수 있다. 상기 제2 프레스부(60)는 한 쌍의 제2 가압블럭(60a. 60b)을 포함하며, 한 쌍의 가압블럭(61, 62)은 상호 마주보는 방향으로 이동되며 적층물(S)을 면 가압할 수 있다. 또한, 상기 제2 프레스부(60)에 포함된 한 쌍의 제2 가압블럭(60a. 60b)은 적층물(S)과 접촉하여 가압하는 가압면이 모두 평면으로 구비될 수 있다.
도 2 및 도 8을 참고하면, 스택 테이블(Stack table)(110)은 폴딩되는 분리막(14) 사이사이에 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 교대로 배치되는 형태로 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12)이 적층될 수 있다.
또한, 스택 테이블(110)은 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12)이 적층되는 테이블 몸체(111) 및 테이블 몸체(111)를 가열하여, 적층되는 적층물(S)을 히팅(Heating)하는 스택 테이블 히터(112)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(11)은 양극으로 구성되고, 상기 제2 전극(12)은 음극으로 구성될 수 있지만, 본 발명이 여기에 반드시 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 제1 전극(11)이 음극으로 구성되고, 제2 전극(12)이 양극으로 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 제1 전극 안착 테이블을 나타낸 사시도이다.
도 2 및 도 9를 참고하면, 제1 전극 공급부(130)는 제1 전극(11)을 가열하면서 제1 전극 스택부(150)로 공급할 수 있다.
또한, 제1 전극 공급부(130)는 제1 전극(11)이 제1 전극 스택부(150)에 의해 스택 테이블(110)에 적층되기 전에 안착되는 제1 전극 안착 테이블(131) 및 제1 전극 안착 테이블(131)을 가열하여 제1 전극(11)을 가열하는 제1 전극 히터(132)를 포함할 수 있다.
한편, 제1 전극 공급부(130)는 제1 전극(11)이 시트(Sheet) 형태로 권취되는 제1 전극 롤(133)과, 제1 전극 롤(133)에 권취된 시트 형태의 제1 전극(11)이 풀어지며 공급될 때 일정간격으로 절단하여 소정 크기의 제1 전극(11)을 형성시키는 제1 커터(cutter)(134)와, 제1 커터(134)에 절단된 제1 전극(11)을 이동시키는 제1 컨베이어 벨트(conveyer belt)(135)와, 제1 컨베이어 벨트(135)에 의해 이송되는 제1 전극(11)을 진공 흡착하여 제1 전극 안착 테이블(131)에 안착시키는 제1 전극 공급 헤드(136)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 커터(134)는 시트 형태의 제1 전극(11)을 절단 시 단부에 제1 전극 탭(11a)이 돌출 형성되도록 커팅 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 제2 전극 안착 테이블을 나타낸 사시도이다.
도 2 및 도 10을 참고하면, 제2 전극 공급부(140)는 제2 전극(12)을 히팅시키며 제2 전극 스택부(160)로 공급할 수 있다.
또한, 제2 전극 공급부(140)는 제2 전극(12)이 제2 전극 스택부(160)에 의해 스택 테이블(110)에 적층되기 전에 안착되는 제2 전극 안착 테이블(141) 및 제2 전극 안착 테이블(141)을 가열하여 제2 전극(12)을 히팅시키는 제2 전극 히터(142)를 포함할 수 있다.
한편, 제2 전극 공급부(140)는 제2 전극(12)이 시트(Sheet) 형태로 권취되는 제2 전극 롤(143)과, 제2 전극 롤(143)에 권취된 시트 형태의 제2 전극(12)이 풀어지며 공급될 때 일정간격으로 절단하여 소정 크기의 제2 전극(12)을 형성시키는 제2 커터(144)와, 제2 커터(144)에 절단된 제2 전극(12)을 이동시키는 제2 컨베이어 벨트(145)와, 제2 컨베이어 벨트(145)에 의해 이송되는 제2 전극(12)을 진공 흡착하여 제2 전극 안착 테이블(141)에 안착시키는 제2 전극 공급 헤드(146)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제2 커터(144)는 시트 형태의 제2 전극(12)을 절단 시 단부에 제2 전극 탭(12a)이 돌출 형성되도록 커팅 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 스택부는 상기 제1 전극 안착 테이블에 안착된 상기 제1 전극을 진공 흡입하는 제1 석션 헤드를 포함하고, 상기 제2 전극 스택부는 상기 제2 전극 안착 테이블에 안착된 상기 제2 전극을 진공 흡입하는 제2 석션 헤드를 포함하는 것일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 제1 석션 헤드를 나타낸 사시도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 제1 석션 헤드를 나타낸 저면도이다.
도 1, 도 2, 도 11 및 도 12를 참고하면, 제1 전극 스택부(150)는 제1 전극(11)을 스택 테이블(110)에 적층시킬 수 있다.
또한, 제1 전극 스택부(150)는 제1 석션 헤드(151)와, 제1 이동부(153)를 포함할 수 있다.
제1 석션 헤드(151)는 제1 전극 안착 테이블(131)에 안착된 제1 전극(11)을 진공 흡입할 수 있다. 이때, 제1 석션 헤드(151)는 바닥면(151b)에 진공 흡입구(151a)가 형성되어 진공 흡입구(151a)를 통해 제1 전극(11)을 흡입하여 제1 전극(11)을 제1 석션 헤드(151)의 바닥면(151b)에 고정시킬 수 있다. 여기서, 제1 석션 헤드(151)는 진공 흡입구(151a)와 진공흡입 장치(미도시)를 연결하는 통로가 내부에 형성될 수 있다.
제1 이동부(153)는 제1 석션 헤드(151)가 제1 전극 안착 테이블(131)에 안착된 제1 전극(11)을 스택 테이블(110)에 적층시킬 수 있도록 제1 석션 헤드(151)를 스택 테이블(110)로 이동시킬 수 있다.
또한, 제2 전극 스택부(160)는 제2 전극(12)을 스택 테이블(110)에 적층시킬 수 있다. 여기서, 제2 전극 스택부(160)는 전술한 제1 전극 스택부(150)와 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 제2 전극 스택부(160)는 제2 석션 헤드(161)와, 제2 이동부(163)를 포함할 수 있다.
제2 석션 헤드(161)는 제2 전극 안착 테이블(141)에 안착된 제2 전극(12)을 진공 흡입할 수 있다.
제2 이동부(163)는 제2 석션 헤드(161)가 제1 전극 안착 테이블(141)에 안착된 제2 전극(12)을 스택 테이블(110)에 적층시킬 수 있도록 제2 석션 헤드(161)를 스택 테이블(110)로 이동시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치에서 홀딩기구 및 스택 테이블을 나타낸 평면도이다.
도 2 및 도 13을 참고하면, 홀딩기구(170)는 스택 테이블(110)에 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)이 적층될 때, 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)을 파지하며 스택 테이블(110)에 고정할 수 있다.
또한, 홀딩기구(170)는 스택 테이블(110)에 제1 전극(11)을 스택(Stack) 시 스택 테이블(110)의 최상측에 적층된 제1 전극(11)의 상면을 가압하여 고정하고, 스택 테이블(110)에 제2 전극(12)을 스택 시 스택 테이블(110)의 최상측에 적층된 제2 전극(12)의 상면을 가압하여 고정할 수 있다. 또한, 상기 스택 테이블(110) 상에 적층된 상기 제1 전극(11), 상기 분리막(14) 및 상기 제2 전극(12)의 적층물의 상면을 가압하여 고정할 수 있다.
즉, 분리막(14) 사이사이에 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 위치되며 적층되며 적층물을 형성 시, 홀딩기구(170)는 적층물에서 최상위에 위치되는 면을 스택 테이블(110) 방향으로 가압하는 방식으로 파지하여 적층물이 스택 테이블(110)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 홀딩기구(170)는 예를 들어 제1 홀딩기구(171) 및 제2 홀딩기구(172)를 포함하여, 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)의 양측을 고정할 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같이 스택 테이블(110)이 회전하면서 지그 재그 폴딩이 진행되는 경우를 예를 들면 홀딩기구(170)가 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)을 파지한 후 스택 테이블(110)이 회전되면, 분리막(14)이 스택 테이블(110)의 회전량에 비례하여 분리막 롤(122)에서 풀어지며 스택 테이블(110) 측으로 공급될 수 있다.
한편, 예를 들어 홀딩기구(170) 및 스택 테이블(110)은 회전장치(미도시)와 연결 또는 결합될 수 있다. 여기서, 홀딩기구(170)가 제1 전극(11)을 또는 제2 전극(12)을 파지하면 회전장치가 홀딩기구(170)와 스택 테이블(110)을 회전시킬 수 있다.
이 후, 상기 분리막(14) 사이사이에 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 적층물이 완료되면 상기 적층물의 상면 및 바닥면을 상술한 프레스부에 의해서 가열 및 가압이 진행될 수 있다.
또 하나의 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치는 제1 전극 또는 제2 전극을 검사하는 비젼장치를 더 포함할 수 있다. 도 14는 상기 비젼장치를 더 포함하는 전극 조립체 제조 장치의 개념을 나타낸 정면도이다.
도 14에서 홀딩기구(170), 예비 용접부(190) 및 가열부(191)를 편의상 생략하였으며, 평면도 상으로 후방측에 위치된 프레스부(180)를 점선으로 도시하였다. 또한, 도 14에서 제1 전극 비접촉식 히터(152) 및 제2 전극 비접촉식 히터(162)는 편의상 생략하였다.
도 14를 참고하면, 전극 조립체 제조 장치(200)는 스택 테이블(110)과, 분리막(14)을 상기 스택 테이블(110)에 공급하는 분리막 공급부(120)와, 제1 전극(11)을 상기 스택 테이블(110)에 공급하는 제1 전극 공급부(130)와, 제2 전극(12)을 상기 스택 테이블(110)에 공급하는 제2 전극 공급부(140)와, 제1 전극(11)을 스택 테이블(110)에 적층시키는 제1 전극 스택부(150)와, 제2 전극(12)을 스택 테이블(110)에 적층시키는 제2 전극 스택부(160), 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이를 접착시키는 프레스부(180), 및 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 스택 테이블(110)에 적층될 때 고정하는 홀딩기구(170)를 포함하고, 스택 테이블(110)을 회전시키는 회전부(R) 및 제1,2 전극(11,12)을 비젼(Vision) 검사하는 비젼장치(290)를 더 포함할 수 있다.
즉, 도 14의 전극 조립체 제조 장치(200)는 전술한 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(100)와 비교할 때, 회전부(R) 및 비전장치(290)를 더 포함하는 차이가 있다.
보다 상세히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(200)에서 비젼장치(290)는 제1 카메라(291) 및 제2 카메라(292)를 포함할 수 있다.
제1 카메라(291)는 제1 전극 공급부(130)에서 제1 전극 안착 테이블(131)에 안착된 제1 전극(11)을 촬영할 수 있고, 제2 카메라(292)는 제2 전극 공급부(140)에서 제2 전극 안착 테이블(141)에 안착된 제2 전극(12)을 촬영할 수 있다.
제1 카메라(291) 및 제2 카메라(292)의 촬영을 통해 획득된 영상 정보를 통해 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 적층품질을 검사할 수 있다. 이때, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 안착 위치와, 크기, 적층상태 등을 검사할 수 있다.
회전부(R)는 스택 테이블(110)을 일방향(r1) 및 타방향(r2)으로 회전시킬 수 있다. 여기서, 회전부(R)의 일측에 제1 전극 스택부(150)가 구비되고, 회전부(R)의 타측에 제1 전극 스택부(150)가 구비될 수 있다.
또한, 회전부(R)는 제1 전극(11)을 스택 시 스택 테이블(110)을 제1 석션 헤드(151)와 마주보도록 일측으로 회전시키고, 제2 전극(12)을 스택 시 스택 테이블(110)을 제2 석션 헤드(161)와 마주보도록 타측으로 회전시킬 수 있다.
아울러, 회전부(R)는 스택 테이블(110)을 제1 전극 스택부(150) 방향 및 제2 전극 스택부(160) 방향으로 교대로 번갈아 회전시켜, 분리막(14)이 제1 전극(11) 및 제2 전극(12) 사이에 위치되는 방식으로 지그 재그 폴딩(Zig Zag Folding)이 가능할 수 있다.
이하에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(200)의 작동을 설명하기로 한다.
도 1 및 도 14를 참고하면, 분리막 롤(122)에 권취된 분리막(14)이 분리막 히팅부(121)를 통과하며 통과하며 공급된다. 즉, 상기 분리막 히팅부(121)를 통과하는 과정에서 상기 분리막(14) 히팅되고, 상기 히팅된 분리막(14)이 스택 테이블(110)로 공급된다. 이렇게 공급된 상기 분리막(14)이 스택 테이블(110)에 적층되고, 가열된 스택 테이블(110)에 의해 분리막(14)이 히팅된다.
또한, 제1 전극 공급부(130)의 제1 전극 안착 테이블(131)에 제1 전극(11)이 공급되어 안착되면 비젼장치(290)를 통해 제1 전극(11)의 적층 품질을 검사한다. 이때, 제1 전극(11)은 제1 전극 히터(132)에 의해 가열된 제1 전극 안착 테이블(131)을 통해 히팅된다.
그리고, 히팅된 제1 전극(11)이 제1 전극 스택부(150)로 공급되면, 제1 전극 스택부(150)에서 제1 전극(11)을 스택 테이블(110)에 적층된 분리막(14)의 상면에 적층시킨다.
이때, 제1 전극(11)의 상면을 홀딩기구(170)가 가압하여 스택 테이블(110)에서 제1 전극(11)이 이탈되지 않도록 고정한다. 이후, 회전부(R)가 스택 테이블(110)을 제2 전극 스택부(160) 방향으로 회전시키면, 분리막(14)이 계속적으로 공급되며 제1 전극(11)의 상면을 덮게된다.
한편, 제2 전극 공급부(140)의 제2 안착 테이블(141)에 제2 전극(12)이 공급되어 안착되면 비젼장치(290)를 통해 제2 전극(12)의 적층 품질을 검사한다. 이때, 제2 전극(12)은 제2 전극 히터에 의해 가열된 제2 전극 안착 테이블(141)을 통해 히팅된다.
그리고, 히팅된 제2 전극(12)이 제2 전극 스택부(160)로 공급되면, 제2 전극 스택부(160)에서 제2 전극(12)을 스택 테이블(110)에 적층된 분리막(14)의 상면에 적층시킨다.
이때, 제1 전극(11)의 상면을 가압하고 있는 홀딩기구(170)가 가압부위에서 이탈된 후 제2 전극(12)의 상면을 가압하여 제2 전극(12)을 포함하는 적층물이 스택 테이블(110)에서 이탈되지 않도록 한다.
이후, 스택 테이블(110)을 회전시키며 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)을 적층하는 과정을 반복함으로써, 분리막(14)이 지그 재그 폴딩되며 제1 전극(11) 및 제2 전극(12) 사이에 분리막(14)이 위치되는 적층물을 형성시킬 수 있다.
그리고, 적층물을 프레스부(180)로 이동시키고, 프레스부(180)에서 적층물을 열을 가하며 가압하여 가열된 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이를 접착시켜 전극 조립체(10)를 제조할 수 있다. 이때, 가열된 제1 전극(11), 분리막(14), 및 제2 전극(12) 사이가 프레스부(180)를 통해 열이 가해지며 가압되어 열융착될 수 있다(참고 도 3).
또한, 도 14의 경우에도, 상술한 바와 같이 상기 제1 전극 스택부(150) 는 제1 석션 헤드(151)와, 제1 전극 비접촉식 히터(152) 및 제1 이동부(153)를 포함할 수 있고, 상기 제2 전극 스택부(160)는 제2 석션 헤드(161)와, 제2 전극 비접촉식 히터 및 제2 이동부(163)를 포함할 수 있고(미도시), 제1 석션 헤드(151), 제1 전극 비접촉식 히터(152) 및 제1 이동부(153), 제2 석션 헤드(161), 제2 전극 비접촉식 히터 및 제2 이동부(163)에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
다시 말해서, 도 14의 전극 조립체 제조 장치(200)는 전술한 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치(100)와 비교할 때, 회전부(R) 및 비전장치(290)를 더 포함하는 것을 제외하고, 동일한 구성이라고 할 수 있다.
참고로 상기 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태로 상기 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층하기 위해서 상기 스택 테이블이 좌우로 이동하는 방식, 분리막이 좌우로 이동하는 방식 또는 상기 스택 테이블이 회전하는 방식이 사용될 수 있으며, 이에 대해서는 해당 분야의 통상적인 기술이 적용될 수 있다. 도 14의 경우 상기 스택 테이블이 회전하는 방식을 예시로 보여주는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극 조립체 장변의 길이는 500mm 이상일 수 있다. 상기 전극 조립체 장변은 상기 전극 조집체의 제조 시에 공급되는 분리막의 공급 방향과 수직 방향의 길이를 의미한다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 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, 후술하는 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 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.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 하층 영역이 음극활물질로서 천연흑연을 포함하고, 상기 상층 영역에는 음극활물질로서 인조흑연을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 하층 영역 및 상층 영역이 각각 독립적으로 음극활물질로서 규소계 화합물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 규소계 화합물은 SiOx(0≤x≤2) 및 SiC 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 규소계 화합물은 SiOx(x=0), SiOx(0≤x≤2) 및 SiC 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 규소계 화합물은 규소계 화합물 100 중량부 기준 SiOx(x=0)를 70 중량부 이상, 80 중량부 이상 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 음극은 순수 Si(pure Si)의 함량이 높은 것이 특징이다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극은 하층용 음극활물질로 포함하는 하층용 슬러리를 집전체에 도포 및 건조하여 하층 영역을 형성하고, 이후 하층 영역 상에 상층용 음극활물질로 포함하는 상층용 슬러리를 도포 및 건조하여 상층 영역을 형성하여 제조될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시상태는 하층용 음극활물질을 포함하는 하층용 슬러리; 및 상층용 음극활물질 포함하는 상층용 슬러리;를 준비하는 단계; 음극 집전체의 일면에 상기 하층용 슬러리를 코팅하고, 동시에 또는 소정의 시간차를 두고 상기 하층용 슬러리 위에 상기 상층용 슬러리를 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상층용 슬러리를 동시에 건조하여 활물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 음극의 제조 방법을 제공할 수 있다.
이 경우에, 상기 음극에서 하층 영역과 상층 영역이 맞닿는 부분에 이들 상이한 종류의 활물질들이 서로 혼재하는 혼합 영역(인터믹싱, intermixing)이 존재할 수 있다. 이는 하층 음극활물질로 포함하는 하층용 슬러리와 상층 음극활물질로 포함하는 상층용 슬러리를 집전체 상에 동시에 또는 매우 짧은 시간 차이를 두고 연속적으로 코팅을 하고, 이후 동시에 건조하는 방식으로 활물질층을 형성하는 경우에, 하층용 슬러리와 상층용 슬러리가 건조 전에 맞 닿은 계면 상에 소정의 혼합 구간이 발생하고 이후 건조되면서 이러한 혼합 구간이 혼합 영역의 층 형태로 형성되기 때문이다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극의 상기 활물질층에서, 상기 상층 영역과 상기 하층 영역의 중량비 (또는 단위 면적당 로딩양의 비)는 20:80 내지 50:50, 상세하게는 25:75 내지 50:50일 수 있다.
본 발명의 상기 음극의 상기 활물질층의 하층 영역 및 상층 영역의 두께는 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상기 코팅된 상층용 슬러리의 두께와 완전히 일치하지 않을 수 있다. 하지만, 건조 또는 선택적인 압연 공정을 거친 결과, 최종 얻어지는 본 발명의 음극의 음극의 활물질층의 하층 영역 및 상층 영역의 두께의 비율은 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상기 코팅된 상층용 슬러리의 두께의 비율과는 일치할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 집전체의 일면에 상기 하층용 슬러리를 코팅하고, 동시에 또는 소정의 시간차를 두고 상기 하층용 슬러리 위에 상기 상층용 슬러리를 코팅하는 단계에서, 상기 소정의 시간차는 0.6초 이하, 또는 0.02초 내지 0.6초, 또는 0.02초 내지 0.06초, 또는 0.02초 내지 0.03초의 시간차일 수 있다. 가장 바람직하게는 0초 일 수 있다 즉, 동시에 하는 것이 가장 바람직할 수 있다. 즉, 상기 하층용 슬러리와 상기 상층용 슬러리의 코팅시에 시간차가 발생하는 것은 코팅 장비에 기인하는 것이므로, 상기 하층용 슬러리와 상기 상층용 슬러리를 동시에 코팅하는 것이 더 바람직할 수 있다. 이 때, 상기 하층용 슬러리와 상기 상층용 슬러리를 코팅하는 방법은 이중 슬롯 다이(double slot die), 등의 장치를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상층용 슬러리를 동시에 건조하여 활물질층을 형성하는 단계는 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상층용 슬러리를 동시에 건조하는 단계; 및 상기 건조하는 단계 이후 활물질층을 압연시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 압연시키는 단계는 롤 프레싱(roll pressing)와 같이 당업 분야에서 통상적으로 사용되는 방법에 의해 수행될 수 있으며, 1 MPa 내지 20 MPa의 압력 및 15 ℃ 내지 30 ℃의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상층용 슬러리를 동시에 건조하여 활물질층을 형성하는 단계는, 열풍 건조 및 적외선 건조 장치가 조합한 장치를 이용하고, 당업 분야에서 통상적으로 사용되는 방법으로 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분자의 중량%가 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 중량%과 동일하거나 더 많을 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분자의 중량%가 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 중량%보다 1.0 배 내지 4.2 배, 또는 1.5 배 내지 3.6배, 또는 1.5 배 내지 3 배 클 수 있다.
이때, 상기 코팅된 하층용 슬러리에서 제1 바인더의 중량% 및 상기 코팅된 상층용 슬러리에서 제2 바인더의 중량%의 비율이 이러한 범위를 만족하는 경우에 하층 영역의 바인더가 너무 적지 않아서 전극층의 탈리가 발생하지 않으며, 상층 영역의 바인더가 너무 많지 않아서 전극 상층부의 저항이 감소되고 급속충전 성능이 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분자의 중량%가 2 중량% 내지 30 중량%, 또는 5 중량% 내지 20 중량%일 수 있고, 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 비율(중량%)이 0.5 내지 20 중량% 또는 1 내지 15 중량%, 또는 1 중량% 내지 10 중량%, 또는 2 중량% 내지 5 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 하층용 슬러리 및 상기 상층용 슬러리 전체의 고형분에서 제1 바인더 고분자 및 제2 바인더 고분자의 총비율(중량%)이 2 중량% 내지 20 중량%, 또는 5 중량% 내지 15 중량%일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 제1 바인더 고분자 및 제2 바인더 고분자는 각각 상기 하층용 슬러리에 포함되는 바인더 고분자 및 상기 상층용 슬러리 에 포함되는 바인더의 고분자를 의미하는 것일 뿐 특정 순서를 의미하는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 바인더 고분자는 전극 활물질 입자와 도전재 등의 결합과 전극 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예를 들어 전극활물질을 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), 폴리아크릴로니트릴(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.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상술한 설명이 적용되는 범위 내에서 상기 음극에 사용되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 상술한 설명이 적용되는 범위 내에서 음극을 제조하는 방법도 당업계에서 공지된 방법이 제한없이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체; 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 위치하고, 양극활물질, 바인더 고분자, 및 도전재를 포함하는 양극활물질층을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 양극 집전체도, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 전극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 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; 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 하며, 상기와 같은 종류들이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 도전재는 상기 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 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.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 양극의 제조에 사용되는 양극 활물질 등은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 양극을 제조하는 방법도 당업계에서 공지된 방법이 제한없이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 또는 음극, 즉 전극의 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.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막은 다공성의 고분자 기재 및 상기 고분자 기재의 적어도 일측면에 형성된 유기/무기 복합 다공성 코팅층을 포함하고, 상기 유기/무기 복합 다공성 코팅층은 입자상의 바인더 수지들 및 무기물 입자들을 포함할 수 있다.
상기 분리막에 사용되는 재료들은 해당 분야에서 사용되는 통상적인 물질들이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극 조립체 제조 장치 및 상기 제조 장치의 구성에 관한 설명은 본 발명에 따른 제조 방법 및 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 전극 조립체에도 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
Claims (14)
- 폴딩되는 바인더층을 포함하는 분리막 사이사이에 제1 전극 탭을 포함하는 복수의 제1 전극 및 제2 전극 탭을 포함하는 복수의 제2 전극이 교대로 배치되는 형태인 전극 조립체 제조 방법으로서,(a) 상기 제1 전극을 스택 테이블에 공급하는 단계;(b) 상기 제2 전극을 스택 테이블에 공급하는 단계;(c) 상기 분리막을 스택 테이블에 공급하는 단계;(d) 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태로 상기 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 스택 테이블 상에 적층하여 적층물을 제조하는 단계;(e) 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 각각 예비 용접하는 단계;(f) 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계; 및(g) 상기 적층물을 가열 및 가압하는 단계를 포함하는 전극 조립체 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 (f) 단계에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 온도가 각각 하기 식 1을 만족하도록 가열하는 것인 전극 조립체 제조 방법:[식 1]Tg-1 < T ≤ Tg+1상기 식 1에 있어서, Tg는 상기 분리막의 바인더층의 유리 전이 온도를 의미하고, T는 가열된 제1 전극 또는 가열된 제2 전극의 온도를 의미한다.
- 청구항 1에 있어서,상기 (f) 단계에서, 상기 적층물의 상면의 온도 분포를 측정하는 단계; 상기 측정된 온도 분포에 따라서 가열하는 온도를 설정하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 단계를 포함하는 것인 전극 조립체 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 (f) 단계는 열선 프로브(probe) 또는 열선 그리퍼(gripper)가 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭에 각각 연결됨으로써 가열이 이루어지는 것인 전극 조립체 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 (g) 단계 이후, 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분의 일부를 커팅하는 단계를 더 포함하는 것인 전극 조립체 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 (e) 단계는 상기 스택 테이블 상에서 이루어지는 것인 전극 조립체 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 (f) 단계 이후, 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭 각각에 전극 리드를 연결하는 최종 용접을 실시하는 단계를 더 포함하는 전극 조립체 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 (f) 단계 및 상기 (g) 단계는 순차적으로 진행되거나 역순으로 진행되거나 또는 동시에 진행되는 것 중에서 선택되는 전극 조립체 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 열선 프로브 또는 열선 그리퍼에서 발생한 열은 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 통해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전달되는 전극 조립체 제조 방법.
- 폴딩되는 바인더층을 포함하는 분리막 사이사이에 제1 전극 탭을 포함하는 복수의 제1 전극 및 제2 전극 탭을 포함하는 복수의 제2 전극이 교대로 배치되는 형태인 전극 조립체를 제조하는 전극 조립체 제조 장치로서,상기 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 교대로 배치되는 형태의 적층물이 제조되도록 상기 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되는 스택 테이블;상기 분리막을 상기 스택 테이블에 공급하는 분리막 공급부;상기 제1 전극을 상기 스택 테이블에 공급하는 제1 전극 공급부;상기 제2 전극을 상기 스택 테이블에 공급하는 제2 전극 공급부;상기 스택 테이블에 적층된 상기 적층물을 가열 및 가압하는 프레스부;상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭을 예비 용접하는 예비 용접부; 및상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭의 예비 용접된 부분을 가열하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 가열하는 가열부를 포함하는 전극 조립체 제조 장치.
- 청구항 10에 있어서,상기 가열부에 의해 가열된 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 온도가 각각 하기 식 1을 만족하는 것인 전극 조립체 제조 장치:[식 1]Tg-1 < T ≤ Tg+1상기 식 1에 있어서, Tg는 상기 분리막의 바인더층의 유리 전이 온도를 의미하고, T는 가열된 제1 전극 또는 가열된 제2 전극의 온도를 의미한다.
- 청구항 10에 있어서,상기 가열부에 의해 가열하기 전 상기 적층물의 상면의 온도 분포를 측정하고, 가열 온도 조건을 설정하는 가열 제어부를 더 포함하는 것인 전극 조립체 제조 장치.
- 청구항 10에 있어서,상기 가열부는 상기 프레스부의 일면에 부착된 열선 프로브(probe) 또는 별도의 열선 그리퍼(gripper)인 것인 전극 조립체 제조 장치.
- 청구항 10에 있어서,상기 프레스부는 한 쌍의 가압블럭으로 구성되고, 상기 한 쌍의 가압블럭이 상호 마주보는 방향으로 이동되며 상기 테이블에 적층된 상기 적층물을 면 가압하는 것인 전극 조립체 제조 장치.
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