JP7424571B2 - 流体を含む押圧装置及びこれを用いた電極及び電極組立体の製造方法 - Google Patents

流体を含む押圧装置及びこれを用いた電極及び電極組立体の製造方法 Download PDF

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Description

本出願は2020年06月03日付の韓国特許出願第2020-0066918号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容はこの明細書の一部として含まれる。
本発明は流体を含む押圧装置及びこれを用いた押圧方法に関し、具体的には流体を含む圧力調節部を含み、押圧しようとする対象体の形態によって印加圧力が変わることを特徴とする押圧装置及びこれを用いた押圧方法に関する。
最近、化石燃料の使用による大気汚染、エネルギー枯渇による代替エネルギーの開発によって生産された電気エネルギーを貯蔵することができる二次電池に対する需要が増加している。充放電の可能な二次電池は、モバイル機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車動車などに使われるなど、日常生活に密接に使われている。
現代社会で必要不可欠に使われている各種の電子機器のエネルギー源として使われている二次電池は、モバイル機器、電気自動車などの多様な機器に装着されて使われている。使用者の需要及び装着される機器の形状の多様性に合わせて多様な形態の電池セルが要求されている。
多様な形態の電池セルは、一般的に曲がった形状を有するケース内に前記ケースに対応する形態の電極またはこれを積層した電極組立体を収納して形成することができる。多様な形態の電極を形成するためには、一定の形態に形成された電極集電体の片面または両面に電極活物質を塗布した後、これを押圧しなければならない。また、多様な形態の電極組立体も、多様な形態の電極及び分離膜を積層した後、これらの結合力を向上させるためにラミネーション過程を経なければならない。
図1は従来技術による押圧装置の模式図である。
押圧される対象体10を押圧するために、従来技術による押圧装置20は前記対象体10に接する部位である押圧部が平らな形態を有している。しかし、平らな押圧部を有する押圧装置20は多様な高さまたは多様な形態を有する対象体10に均一な力をかけることができない。
すなわち、前記対象体10において、他の部位に比べて突出している部位にはより強い力を加え、他の部位に比べて陥没している部位には弱い力をかけることから、前記対象体10を均一に接合することができない問題が発生する。また、前記対象体10のうち正常に接合されていない部位に追加の押圧工程を遂行して前記のような問題を解決しようとしているが、別途の工程を遂行するので、工程進行時間が長くなり、よってコストが増加する問題が発生する。
特許文献1では、ロール部材の表面にパターンを形成することで、電極及び分離膜に伝達される圧着力が一部領域にのみかかるようにしているが、これは一部のみを圧着する方式であるだけで、対象体全体を一度に一定に押圧することができない問題点がある。
前記のような問題点を解決するために、工程時間を減らしながら対象体を均一に押圧することができる方法に対する考慮が必要である。
韓国公開特許第2017-0099213号公報
本発明は前記のような問題点を解決するためのものであり、押圧しようとする対象体に均一な押圧力をかけることができる押圧装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記押圧装置を用いて多様な形態の電極または電極組立体を容易に生産することができるようにする。また、電極または電極組立体の製造工程を減らし、不良率を減少させて生産コストを減らすことを目的とする。
前記のような目的を達成するために、本発明による押圧装置は、押圧しようとする対象体の形態によって形状または位置が変更される接触部と、前記接触部に一様な力をかける押圧部と、前記接触部と前記押圧部との間に位置し、内部に流体を含む圧力調節部とを含むことができる。
また、前記接触部は対象体の形態によって対象体にかける圧力が異なるようにするパターンを含むことができる。
ここで、前記パターンは、斜線型、X字型、または多数の微細な突起が存在するドット型であることができる。
前記接触部は個別に動く多数の突起を含むことができる。
前記圧力調節部は前記接触部に個別に連結されることができる。
また、前記押圧部は前記圧力調節部に個別に連結されるかまたは一体に連結されることができる。
前記圧力調節部は前記多数の突起に連結された流体からなることができる。
また、前記圧力調節部は内部に流体を90%未満で含むことができる。
また、本発明による押圧装置は、前記接触部、前記押圧部、及び前記圧力調節部を含む上部ロールと、前記上部ロールと同じ構成を有する下部ロールとを含むことができる。
本発明は、電極及び電極組立体の製造方法であって、(S1)押圧しようとする対象体である電極または電極組立体を準備する段階と、(S2)前記押圧装置に前記対象体を配置する段階と、(S3)前記押圧装置で前記対象体を押圧する段階とを含むことができる。
また、前記(S3)段階で、前記押圧装置は、前記対象体の形態によって変形されるかまたは前記対象体に接触する接触部にかかる押圧力が変わることができる。
本発明は、前述した電極または電極組立体を含む単位セルを提供する。また、本発明は、前記単位セルを含むバッテリーモジュールまたはバッテリーパックを提供する。また、前記単位セル、前記バッテリーモジュールまたはバッテリーパックが装着されたデバイスを提供する。
本発明は、前記のような構成のうち相反しない構成のうち一つまたは二つ以上を選んで組み合わせることができる。
以上で説明したように、本発明による押圧装置は、押圧しようとする対象体の形態によって形状が変わる接触部と、前記接触部に一様な力をかける押圧部と、前記押圧部にかかる力を前記対象体の形態によって異なるように調節して前記接触部の形態を変形させる圧力調節部とを含み、前記対象体の形態に関係なく前記対象体に一様な押圧力を提供する。
また、対象体の形態に関係なく一様な押圧力を受けた前記対象体は一定の形状を維持しながら均一に接合されることができる。これにより、すべての部分で均一に接合され、一定の形状を維持している対象体を得ることができる。さらに、前記対象体の特定部分での不良が著しく減少するようになる。
また、均一な接合のために別途の工程を遂行する必要がないので、工程に必要な時間及びコストが減少して経済的である。
従来技術による押圧装置の模式図である。 本発明による押圧装置の模式図である。 本発明による押圧装置を押圧ロールの形態として示す模式図である。 本発明の第1実施例による押圧装置の内部の模式図である。 本発明の第2実施例による押圧装置の内部の模式図である。 本発明による接触部パターンの形状を示す写真である。
以下、添付図面に基づき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例の動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
図2は本発明による押圧装置の模式図であり、図3は本発明による押圧装置を押圧ロール形態として示す模式図である。図4は本発明の第1実施例による押圧装置の内部の模式図であり、図5は本発明の第2実施例による押圧装置の内部の模式図である。
本発明による押圧装置200は対象体100の形態に関係なく対象体100に均一な圧力をかけることを特徴としている。
前記対象体100は電極集電体の片面または両面に活物質が塗布された電極であるか、またはこのように形成された電極、すなわち正極及び負極を含み、これらの間に分離膜が積層されている電極組立体であることができる。
前記正極は正極集電体の少なくとも一面に塗布された正極活物質層を含む。前記正極活物質層は、正極活物質、導電材、及びバインダーが混合された正極合剤を塗布して製造することができ、必要によっては、前記正極合剤に充填剤をさらに添加することができる。
前記正極集電体は、一般的に3μm~500μmの厚さを有するように製造され、該当電池に化学的変化を誘発せず、かつ高導電性を有するものであれば特に限定るものではない。例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、及びアルミニウムまたはステンレススチールの表面をカーボン、ニッケル、チタンまたは銀で表面処理したものの中で選択される1種を使うことができ、特にアルミニウムを使うことができる。前記正極集電体は、その表面に微細な凹凸を形成して正極活物質層との接着力を高めることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態が可能である。
前記正極活物質は、例えば、前記正極活物質粒子の他に、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)などの層状化合物または1種またはそれ以上の遷移金属に置換された化合物;化学式Li1+xMn2-x(ここで、xは0~0.33)、LiMnO、LiMn、LiMnOなどのリチウムマンガン酸化物;リチウム銅酸化物(LiCuO);LiV、LiV、V、Cuなどのバナジウム酸化物;化学式LiNi1-x(ここで、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、BまたはGa、x=0.01~0.3)で表現されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物;化学式LiMn2-x(ここで、M=Co、Ni、Fe、Cr、ZnまたはTa、x=0.01~0.1)またはLiMnMO(ここで、M=Fe、Co、Ni、CuまたはZn)で表現されるリチウムマンガン複合酸化物;化学式のLiの一部がアルカリ土類金属イオンに置換されたLiMn;ジスルフィド化合物;Fe(MoOなどから構成されることができ、これらにのみ限定されるものではない。
前記導電材は、通常に正極活物質を含む混合物の総重量を基準に0.1重量%~30重量%で添加される。このような導電材は該当電池に化学的変化を引き起こさず、かつ導電性を有するものであれば特に限定るものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サマーブラックなどのカーボンブラック;炭素纎維や金属纎維などの導電性纎維;フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などを使うことができる。
前記正極に含まれるバインダーは活物質と導電材などの結合と集電体に対する結合に役立つ成分であり、通常に正極活物質を含む混合物の総重量を基準に、0.1重量%~30重量%で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンテルポリマー、スルホン化エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などを挙げることができる。
前記負極は負極集電体の片面または両面に負極活物質を塗布して乾燥することで、負極活物質層が一面に存在する負極を製作する。必要によって、前述したような成分を選択的にさらに含むこともできる。
前記負極が負極集電体の一面にのみ負極活物質層が存在する単面負極として存在することにより、パウチ型二次電池内で負極が占める空間が減ってパウチ型二次電池の容量が向上する。
前記負極活物質としては、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素;LiFe(0≦x≦1)、LiWO(0≦x≦1)、SnMe1-xMe'(Me:Mn、Fe、Pb、Ge;Me:Al、B、P、Si、周期表の1族、2族、3族の元素、ハロゲン;0<x≦1;1≦y≦3;1≦z≦8)などの金属複合酸化物;リチウム金属;リチウム合金;珪素系合金;スズ系合金;SnO、SnO、PbO、PbO、Pb、Pb、Sb、Sb、Sb、GeO、GeO、Bi、Bi、及びBiなどの金属酸化物;ポリアセチレンなどの導電性高分子;Li-Co-Ni系材料などを使うことができる。
前記分離膜は正極と負極との間に介在され、高いイオン透過度及び機械的強度を有する絶縁性の薄膜が使われる。分離膜の気孔直径は一般的に0.01μm~10μmであり、厚さは一般的に5μm~300μmである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー;ガラス繊維またはポリエチレンなどからなるシートや不織布などが使われる。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使われる場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。
前記電極組立体は、長方形の正極及び負極が分離膜を介在した状態で積層される構造の単位セルからなるスタック型電極組立体または単位セルが分離膜を介在した状態で積層されて互いに付着されるラミネーションスタック型電極組立体などからなることができるが、これに限定されない。ただ、前記電極組立体は、これらの電解液含浸性を減少させる形態を有する長いシート状の正極及び負極の間に分離膜が介在されてから巻き取られる構造を有するゼリーロール型電極組立体または単位セルが長い分離フィルムによって巻き取られるスタックフォルディング型電極組立体のような構造を有しないことが好ましい。
本発明による押圧装置は、前記のような正極、負極または電極組立体を積層方向に押圧する。
前記押圧装置200は、図2に基づいて説明すると、前記押圧装置200内で一様な力をかける押圧部210、前記対象体100に直接接触する接触部220、及び前記押圧部と前記接触部との間に位置し、内部に流体を含む圧力調節部230を含む。
前記押圧部210によって、押圧装置200は前記対象体100に向かって移動し、前記押圧装置200の接触部220が前記対象体100の外面全体に接触することができる。
また、図2のような押圧ロール形態の押圧装置で、前記押圧部210は、図3のように、前記圧力調節部に連結されておらず、前記圧力調節部及び前記接触部220を一度に押圧することができる他の部位に連結されている形態を有することもできる。
前記押圧部210は、図2のように、前記圧力調節部230に接触している形態を有することができる。もしくは、図3のように、接触部220及び圧力調節部(図示せず)を含むロールを押す形態を有することができる。前記ロールは、外側面に接触部が位置し、前記接触部の内部に圧力調節部が配置される形態を有することができる。
前記押圧部210は物理的な機械力で前記押圧装置200を移動させる形態を有することができ、前記押圧装置の内部に位置し、油圧などで前記押圧装置の部材、例えば前記接触部220及び圧力調節部230を移動させて押圧する形態を有することができる。
前記押圧部210は、一般的に1kg/mm~100kg/mmの力で前記接触部220を前記対象体100に接触させることができるが、これは押圧しようとする対象体100の厚さ、前記対象体100の弾性力、及び押圧によって達成しようとする目的によって変わることができる。
前記対象体100に直接接触する接触部220は、前記対象体100の形態によって形状が変形されることができる。例えば、接触部220は弾性素材からなるので、対象体の外面が屈曲した形態を含んでも前記対象体の外面全体に密着するように変形されることができる。
一例として、前記接触部220は、図2のように、前記対象体100の形態によって形状が変わることができる。図2に示すように、前記接触部220は、前記押圧部210からかかる力によって、前記対象体100の形態に合わせて変形される。ここで、前記圧力調節部230は内部に流体を含んでいるので、前記押圧部210からかかる圧力を前記対象体100の形態によって分配することにより、前記接触部220の形態が前記対象体100の外形に対応して変形されるようにする。ここで、前記圧力調節部230によってかかる後期押圧力F2は、前記対象体100に加わる形態によって前記押圧部210からかかる初期押圧力F1が圧力調節部230内にある流体によって適切に分散され、前記接触部220が前記対象体100の全面積を押圧するようにする。
さらに他の例として、前記接触部220は、図4及び図5のように、高さが変化することができる。すなわち、内部に流体を含んでいる圧力調節部230の形態が変化して前記接触部の突出または陥没を調節することができる。
具体的に、図4に示す第1実施例による押圧装置200は、一つの前記圧力調節部230が多数の前記接触部220に連結されている形態を有することができる。すなわち、前記圧力調節部230は前記多数の突起からなる接触部220に連結された単一の部材であり、その内部は流体からなることができる。
ここで、前記圧力調節部の内部には流体が90%未満で満たされているので、前記押圧部210及び前記接触部220によって前記流体が移動することができる構造を有することができる。
ここで、前記接触部220は、図4のように、前記押圧装置200の内部部材、すなわち接触部220、押圧部210及び圧力調節部230が一体に動くのに伴って前記接触部220が前記押圧装置200の一面の外部に突出するか内部に陥没する方式で作動することができる。
図5に示す第2実施例による押圧装置200で、前記圧力調節部230は前記接触部220に個別的に連結されることができる。すなわち、前記圧力調節部230は各パターンを成す接触部220に個別的に連結されて前記接触部220の形態または位置を調節することができる。
ここで、前記押圧部210は、前記圧力調節部230に、図5のように、個別に、すなわち1:1で連結されているか、図4のように、多数の押圧部210が単一の圧力調節部230に一体に連結されることができる。
前記圧力調節部230が前記接触部220に個別に連結されている場合、前記接触部220の移動範囲または形状変形範囲がもっと大きくなることができる。
前記接触部220は前記圧力調節部230とは別個の部材として存在することもできるが、前記接触部220と前記圧力調節部230とが一体に形成されることもできる。
前記接触部220は、図5のように、個別に動く多数の突起から構成されるので、前記対象体100の形態によって動きの範囲が変わることができる。
ここで、前記接触部220は前記対象体100の形態によって高さが変わるパターンが存在する形態を有することができる。
図6は本発明による接触部パターンの形状を示す写真である。
図6に示すように、本発明による接触部220は、斜線型(a)、X字型(b)、または多数の微細な突起が存在するドット(dot)型(c)であることができる。
斜線型は、前記対象体100の形態が前記接触部220のパターンと同じに斜線形に高さが一定した場合または特定の基準線を基準に同じ形態を有する場合に使うことができる。
また、前記X字型(b)は、一定のパターンを有し、高さが変わる対象体100を押圧する場合に使うことができ、前記ドット(dot)型(c)は無定形の対象体100を押圧する場合に使うことができる。
前記パターンは、前記対象体100の形態によって、その間隔や大きさが変わることができるが、一般的に前記パターンの間隔は1mm~100mmであることが好ましい。仮に、前記パターンの間隔が前記範囲より小さい場合、流体によって微細に調節可能なパターンを有する接触部220の形成が難しいことがあり、パターンの間隔が前記範囲より大きい場合、本発明で達成しようとする一様な押圧力による接合の均一性を達成しにくいことがある。
前記接触部220は押圧しながら加熱することもできる。これは、前記正極、負極または電極組立体の結合力を高めるためのラミネーションを容易に遂行することができるようにする。
第1実施例による押圧装置は、図4のように、一つの前記圧力調節部230が多数の前記接触部220に連結されている形態を有することができる。すなわち、前記圧力調節部230は前記多数の突起から形成された接触部220に連結された単一の流体層からなることができる。
ここで、前記流体層の内部には流体が90%未満で満たされているので、前記押圧部210及び前記接触部220によって前記流体が移動することができる構造を有することができる。
第2実施例による押圧装置によれば、前記圧力調節部230は、図5のように、前記接触部220に個別的に連結されることができる。すなわち、前記圧力調節部230は各パターンを成す接触部220に個別的に連結され、前記接触部220の形態または位置を調節することができる。
ここで、前記押圧部210は前記圧力調節部230に個別に連結されるか、一体に連結されることができる。
前記圧力調節部230が前記接触部220に個別に連結されている場合、前記接触部220の移動範囲または形状変形範囲がより大きくなることができる。
また、図2のような押圧ロール形態の押圧装置で、前記押圧部210は前記圧力調節部230に連結されていない形態を有することもできる。
前記接触部220は前記圧力調節部230とは別個の部材として存在することもできるが、前記接触部220と前記圧力調節部230とが一体に形成されることもできる。
本発明による押圧装置200は前記対象体100の形態によって前記対象体100の一方向にのみ押圧することもできるが、立体的な対象体100を押圧するために、前述した押圧部210、接触部220、及び圧力調節部230を含む上部ロールと下部ロールとからなることができる。
本発明による電極及び電極組立体の製造方法は、(S1)押圧しようとする対象体である電極または電極組立体を準備する段階、(S2)前記記載のうちいずれか一つに相当する押圧装置に前記対象体を配置する段階、及び(S3)前記押圧装置で前記対象体を押圧する段階を含む。
前記押圧装置は前記対象体を一面または両面で押圧することができる。ここで、前記押圧装置が前記対象体を押圧する方向は前記対象体の形態によって変わることができる。
前記押圧装置は、前記対象体の形態を維持しながら一様に押圧するために、前記対象体の形態によって押圧装置が変形されるか、対象体の形態によって前記対象体に接触する接触部にかかる押圧力が変わることができる。このように、前記押圧装置が前記対象体の形態によって異なる形態を有することにより、前記対象体に一様な圧力をかけることができる。また、これにより、前記対象体が一定に接合することができるので、対象体の不良率も減少し、多様な形状の対象体を形成することができる。
本発明は前述した電極または電極組立体を含む単位セルを提供する。また、本発明は前記単位セルを含むバッテリーモジュールまたはバッテリーパックを提供する。また、前記単位セル、前記バッテリーモジュールまたはバッテリーパックが装着されたデバイスを提供する。
前記デバイスは、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などのように大容量の電池を含む電子機器であることができる。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
以上で説明したように、本発明による押圧装置は、押圧しようとする対象体の形態によって形状が変わる接触部と、前記接触部に一様な力をかける押圧部と、前記押圧部からかかる力を前記対象体の形態によって異なるように調節して前記接触部の形態を変形させる圧力調節部とを含み、前記対象体の形態に関係なく前記対象体に一様な押圧力を提供する。
また、対象体の形態に関係なく一様な押圧力を受けた前記対象体は一定の形状を維持しながら均一に接合されることができる。これにより、すべての部分で均一に接合され、一定の形状を維持する対象体を得ることができる。さらに、前記対象体の特定の部分での不良が著しく減少する。
10、100 対象体
20、200 押圧装置
210 押圧部
220 接触部
230 圧力調節部
F1 初期押圧力
F2 後期押圧力

Claims (10)

  1. 押圧しようとする対象体の形態によって形状または位置が変更される接触部と、
    前記接触部に一様な力をかける押圧部と、
    前記接触部と前記押圧部との間に位置し、内部に流体を含む圧力調節部と、
    を含み、
    前記接触部は個別に動く多数の突起を含み、
    前記圧力調節部は前記接触部に個別に連結され、
    前記押圧部は前記圧力調節部に個別に連結されるか一体に連結される、押圧装置。
  2. 前記接触部は、前記対象体の形態によって前記対象体にかける圧力が異なるようにするパターンを有する、請求項1に記載の押圧装置。
  3. 前記パターンは、斜線型、X字型、または多数の微細な突起が存在するドット型である、請求項2に記載の押圧装置。
  4. 前記圧力調節部は前記多数の突起に連結された流体からなる、請求項に記載の押圧装置。
  5. 前記圧力調節部は内部に流体を90%未満で含む、請求項1からのいずれか一項に記載の押圧装置。
  6. 前記接触部、前記押圧部、及び前記圧力調節部を含む上部ロールと、
    前記上部ロールと同じ構成を有する下部ロールと、
    を含む、請求項1からのいずれか一項に記載の押圧装置。
  7. (S1)押圧しようとする電極を準備する段階と、
    (S2)請求項1からのいずれか一項に記載の押圧装置に前記電極を配置する段階と、
    (S3)前記押圧装置で前記電極を押圧する段階と、
    を含む、電極の製造方法。
  8. 前記(S3)段階で、前記押圧装置は、前記電極の形態によって変形されるかまたは前記電極に接触する接触部にかかる押圧力が変わる、請求項に記載の電極の製造方法。
  9. (S1)押圧しようとする電極組立体を準備する段階と、
    (S2)請求項1からのいずれか一項に記載の押圧装置に前記電極組立体を配置する段階と、
    (S3)前記押圧装置で前記電極組立体を押圧する段階と、
    を含む、電極組立体の製造方法。
  10. 前記(S3)段階で、前記押圧装置は、前記電極組立体の形態によって変形されるかまたは前記電極組立体に接触する接触部にかかる押圧力が変わる、請求項に記載の電極組立体の製造方法。
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