KR102501251B1 - 이차 전지 테이핑 장치 - Google Patents

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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 테이핑 장치는 각각 실린더 형상을 가지며 서로 나란히 배치되고, 이차 전지의 파우치의 측부가 사이에 삽입되면, 상기 측부의 양 면을 각각 가압하며 상기 측부에 테이프를 부착하는 제1 롤러 및 제2 롤러를 포함하고, 상기 제1 롤러는, 적어도 하나의 단부에 내측으로 함몰 형성된 단차를 포함한다.

Description

이차 전지 테이핑 장치{The Apparatus For Taping The Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지 테이핑 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지 파우치에 크랙(Crack)의 발생을 방지하여 이차 전지의 품질을 향상시키는 이차 전지 테이핑 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
일반적으로 파우치 형 이차 전지의 케이스인 파우치는, 연성의 재질을 가지는 파우치 필름에 컵부를 드로잉(Drawing) 성형하여 제조된다. 그리고 상기 컵부에 마련된 수용 공간에 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 실링부를 실링한다. 그 후에는 활성화(Formation, 화성) 공정을 수행한다. 그런데, 이러한 활성화 공정을 수행하는 도중에, 전지 케이스의 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 이를 위해 활성화 공정이 완료되면, 파우치에 디가싱 홀을 타공하여 가스를 외부로 배출하는 디가싱(Degassing) 공정이 더 수행될 수 있다.
한편, 디가싱 공정 중에서 실링부가 일부 절단될 수 있으며, 이러한 절단면을 커버하기 위해, 디가싱 공정이 완료된 후에 파우치의 측부에 테이프를 부착하는 테이핑 작업이 수행된다. 테이핑 장치는 일반적으로, 실린더 형상을 가지며 서로 나란히 배치된 두 개의 롤러를 포함한다. 그리고, 파우치를 테이핑 장치에 장착하면, 상기 두 개의 롤러 사이에 파우치의 측부가 삽입되고, 두 롤러가 회전하면서 상기 측부의 양 면을 각각 가압한다. 그럼으로써, 파우치의 측부에 테이프가 부착될 수 있다.
그런데, 상기 활성화 공정 중에는, 내부에서 발생한 가스에 의해 파우치의 수용 공간이 팽창한다. 그리고, 디가싱 공정이 수행되어 가스가 외부로 배출되면서, 팽창했던 수용 공간이 다시 수축한다. 이러한 과정에서 상부 파우치의 일부분이 미세하게 연신되어 주름이 발생하며, 이러한 상태로 상기 테이핑 장치의 두 롤러 사이에 파우치의 측부가 삽입되면, 두 롤러가 상기 주름을 함께 가압함으로써, 파우치의 내부에서 크랙(Crack)이 발생하는 문제가 있었다.
한국공개공보 제2015-0007971호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이차 전지 파우치에 크랙(Crack)의 발생을 방지하여 이차 전지의 품질을 향상시키는 이차 전지 테이핑 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 테이핑 장치는 각각 실린더 형상을 가지며 서로 나란히 배치되고, 이차 전지의 파우치의 측부가 사이에 삽입되면, 상기 측부의 양 면을 각각 가압하며 상기 측부에 테이프를 부착하는 제1 롤러 및 제2 롤러를 포함하고, 상기 제1 롤러는, 적어도 하나의 단부에 내측으로 함몰 형성된 단차를 포함한다.
또한, 상기 이차 전지의 파우치는, 전극 및 분리막이 적층된 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부를 포함하는 하부 파우치; 및 상기 수용 공간을 상부에서 커버하는 상부 파우치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 파우치의 측부는, 상기 측부의 외측을 향해 형성된 실링부가 일측으로 폴딩된 상태로, 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러의 사이에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 실링부는, 상기 하부 파우치 및 상기 상부 파우치가 서로 실링되어 형성되며, 상기 상부 파우치와 동일 평면상에 위치할 수 있다.
또한, 상기 실링부는, 상기 상부 파우치로부터 상기 하부 파우치를 향하는 방향으로 폴딩될 수 있다.
또한, 상기 제1 롤러는, 상기 측부의 양 면 중에서, 상기 실링부가 연장되는 상기 상부 파우치의 외측면을 가압할 수 있다.
또한, 상기 제1 롤러는, 양 단부에 모두 상기 단차를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 롤러는, 전체 길이가, 상기 파우치의 길이보다 길고, 상기 단차들이 형성된 지점 사이의 길이가, 상기 파우치의 길이보다 짧을 수 있다.
또한, 상기 제1 롤러는, 상기 단차들이 형성된 지점 사이의 길이가, 상기 파우치에 형성되어 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부의 길이보다 짧을 수 있다.
또한, 상기 제1 롤러는, 상기 단차들이 형성된 지점이, 상기 컵부의 양측 벽으로부터 각각 내측에 위치할 수 있다.
또한, 상기 단차들이 형성된 지점은, 상기 컵부의 양측 벽으로부터 각각 20 mm 내지 60 mm 내측에 위치할 수 있다.
또한, 상기 단차들이 형성된 지점은, 상기 컵부의 양측 벽으로부터 각각 20 mm 내지 40 mm 내측에 위치할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
활성화 공정 및 디가싱 공정을 수행한 후, 이차 전지 파우치의 컵부에 주름이 발생하더라도, 크랙(Crack)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 조립도이다.
도 2는 도 1의 파우치 형 이차 전지의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 측부에 형성된 실링부를 폴딩한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 테이핑 작업이 완료된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치의 사시도이다.
도 7은 종래의 롤러의 사시도이다.
도 8은 종래의 테이핑 장치를 이용하여 파우치의 내부에 발생한 크랙의 모습을 나타낸 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치에 포함된 롤러가 이차 전지의 측부와 근접해지는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치에 포함된 롤러가 이차 전지의 측부에 테이프를 부착하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 롤러의 사시도이다.
도 13은 도 10의 모습을 측면에서 나타낸 측면도이다.
도 14는 본 발명의 제조예에 따른 테이핑 장치와 비교예의 테이핑 장치를 이용하여 각각 실제 실험을 수행한 데이터를 나타낸 표이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(2)의 조립도이고, 도 2는 도 1의 파우치 형 이차 전지(2)의 사시도이다.
일반적으로 이차 전지(2)는, 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 전극 조립체(20) 및 상기 전극 조립체(20)를 내부에 수납하는 전지 케이스(23)를 포함한다.
그리고 이러한 이차 전지(2)를 제조하기 위해, 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 전극 조립체(10)를 형성한다. 그리고 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)를 수납하고 전해액을 주입한 후 실링한다.
전극 조립체(Electrode Assembly, 20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(21)은 전극 조립체(20)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(20)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(20)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(20)의 집전체는 전극 활물질이 도포된 부분과 전극 활물질이 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(21)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(21)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(20)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(20)의 전극 탭(21)에는 전극 리드(Electrode Lead, 22)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고, 전극 리드(22)의 일부는 절연부(24)로 주위가 포위된다. 절연부(24)는 전지 케이스(23)의 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)가 열 융착되는 실링부(234)에 한정되어 위치하여, 전극 리드(22)를 전지 케이스(23)에 접착시킨다. 그리고, 전극 조립체(20)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(22)를 통해 전지 케이스(23)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(23)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(24)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(24)로는, 전극 리드(22)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(22)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
전극 리드(22)는 양극 탭(211) 및 음극 탭(212)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(221) 및 음극 리드(222)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(221)는 양극 집전체와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(222)는 음극 집전체와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(23)의 외부로 돌출된 전극 리드(22)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(2)에서 전지 케이스(23)는 연성의 재질로 제조된 파우치이다. 이하, 전지 케이스(23)는 파우치인 것으로 설명한다. 전지 케이스(23)는 전극 리드(22)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(20)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(23)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)를 포함한다. 하부 파우치(232)에는 컵부(233)가 성형되어 전극 및 분리막이 적층된 전극 조립체(20)를 수용할 수 있는 수용 공간(2333)이 마련되고, 상부 파우치(231)는 상기 전극 조립체(20)가 전지 케이스(23)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(2333)을 상부에서 커버한다. 이 때, 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)는 도 1에 도시된 바와 같이 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
전극 조립체(20)의 전극 탭(21)에 전극 리드(22)가 연결되고, 전극 리드(22)의 일부분에 절연부(24)가 형성되면, 하부 파우치(232)에 마련된 수용 공간(2333)에 전극 조립체(20)가 수용되고, 상부 파우치(231)가 상기 수용 공간(2333)을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)의 테두리를 서로 실링하여 실링부를 형성함으로써 도 2에 도시된 바와 같이 이차 전지(2)가 제조된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름(235)의 단면도이다.
전지 케이스(23)를 형성하기 위한 파우치 필름(235)은 가스 배리어층(Gas Barrier Layer, 2351), 표면 보호층(Surface Protection Layer, 2352) 및 실란트층(Sealant Layer, 2353)을 포함한다.
가스 배리어층(2351)은 전지 케이스(23)의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지(2) 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며, 전해액의 누수를 방지한다. 일반적으로 가스 배리어층(2351)은 금속을 포함하며 주로 알루미늄 박막(Al Foil)이 사용된다. 알루미늄은 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체(20)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 확보할 수 있다.
표면 보호층(2352)은 폴리머로 제조되고, 최외층에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌로부터 이차 전지(2)를 보호하면서, 전극 조립체(20)를 외부로부터 전기적으로 절연시킨다. 여기서 최외층이란, 상기 가스 배리어층(2351)을 기준으로 전극 조립체(20)가 위치하는 방향의 반대 방향으로, 외부를 향하는 방향을 말한다. 이러한 표면 보호층(2352)은 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리머가 사용된다. 그리고 표면 보호층(2352)은 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가지거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
실란트층(2353)은 폴리머로 제조되고, 최내층에 위치하여 전극 조립체(20)와 직접적으로 접촉한다. 파우치 형 전지 케이스(23)는 상기와 같은 적층 구조의 파우치 필름(235)을, 펀치 등을 이용하여 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(2333)을 포함하는 컵부(233)를 형성하면서 제조된다. 그리고, 이러한 수용 공간(2333)에 전극 조립체(20)가 내부에 수용되면 전해액을 주입한다. 그 후에 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)를 서로 접촉시키고, 실링부(234)에 열 압착을 하면 실란트층(2353)끼리 접착됨으로써 전지 케이스(23)가 실링된다. 이 때, 실란트층(2353)은 전극 조립체(20)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층(2353)끼리 접착된 실링부(233)는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트층(2353)에는 주로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트층(2353)을 제조하는데 주로 사용된다. 나아가, 무연신 폴리프로필렌(Cated Polypropylene) 또는 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체로 구성될 수도 있다. 또한, 실란트층(2353)은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 갖거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(2)의 측부에 형성된 실링부(234)를 폴딩한 모습을 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(2)의 테이핑 작업이 완료된 모습을 나타낸 사시도이다.
이차 전지(2)가 제조되면, 활성화(Formation, 화성) 공정을 수행한다. 활성화 공정이란, 이차 전지(2)가 전력을 공급할 수 있도록 충전 또는 방전하는 공정이다. 이 때, 이차 전지(2)의 전극에 외부 전원을 연결하여 충전을 수행하며, 충전률을 최고치까지 상승시켜 충전할 수 있다. 그런데, 이러한 활성화 공정을 수행하는 도중에, 전지 케이스의 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 이를 위해 활성화 공정이 완료되면, 파우치(23)에 디가싱 홀을 타공하여 가스를 외부로 배출하는 디가싱(Degassing) 공정이 더 수행될 수 있다.
한편, 디가싱 공정 중에서 실링부(234)가 일부 절단될 수 있다. 즉, 상기 디가싱 홀이 파우치(23)의 실링부(234)에 타공되고 디가싱 공정이 완료되면, 실링부(234)가 추가 실링된 후, 디가싱 홀이 타공된 실링부(234)의 일부분이 절단되어 제거될 수 있다. 그런데 실링부(234)의 절단면을 통해, 파우치(23) 내부의 가스 배리어층(2351)에 포함된 금속이 외부로 노출되어 부식되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 절단면을 커버하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 디가싱 공정까지 완료되면 파우치(23)의 측부에 형성된 상기 실링부(234)를 일측으로 폴딩한 후, 도 5에 도시된 바와 같이 테이프(3)를 부착하는 테이핑 작업이 수행된다.
실링부(234)는 파우치(23)의 측부의 외측을 향해 형성되며, 특히 상기 기술한 바와 같이, 컵부(233)가 하부 파우치(232)에만 형성되어 있고, 상부 파우치(231)는 컵부(233)에 마련된 수용 공간(2333)을 상부에서 커버한다면, 상기 실링부(234)는 상부 파우치(231)와 동일 평면상에 위치할 수 있다. 따라서, 실링부(234)를 폴딩할 때에는, 도 4에 도시된 바와 같이 상부 파우치(231)로부터 연장된 실링부(234)를, 상부 파우치(231)로부터 하부 파우치(232)를 향하는 방향으로 폴딩하여, 이차 전지(2)의 전체적인 부피를 감소시킨다.
한편, 테이핑 작업을 위해 사용되는 테이프(3)는 일반적으로, 절연층 및 접착층이 적층된 형태를 가질 수 있다. 절연층은 PET, 나일론, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 레진류 또는 고무 등 절연 성질을 가진 재질이라면 다양한 재질을 더 포함할 수도 있다.
접착층은 고분자 물질에 수분 흡수 물질이 1 내지 10 % 분산된 형태로 형성될 수 있다. 접착층에 포함되는 고분자 물질은 폴리올레핀 물질일 수 있으며, 특히 폴리프로필렌에 수분 흡수 물질 파우더가 분산된, CPP와 같은 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 수분 흡수 물질은 염화칼슘, 알루미나 또는 제올라이트를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 수분을 흡수할 수 있는 물질이라면 다양한 물질을 포함될 수 있다.
테이프(3)는 상기 절연층과 접착층의 사이에 금속층을 더 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 실링부(234)의 절단면에 부착된 후, 테이프(3)를 통해 수분이 투과하여 가스 배리어층(2351)이 부식되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치(1)의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치(1)는 도 6에 도시된 바와 같이, 각각 실린더 형상을 가지며 서로 나란히 배치되고, 이차 전지(2)의 파우치(23)의 측부가 사이에 삽입되면, 상기 측부의 양 면을 각각 가압하며 상기 측부에 테이프(3)를 부착하는 제1 롤러(101) 및 제2 롤러(102)를 포함하고, 상기 제1 롤러(101)는 적어도 하나의 단부에 내측으로 함몰 형성된 단차(1011)를 포함한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치(1)는, 제1 및 제2 롤러(101, 102)를 포함하며, 이러한 제1 및 제2 롤러(101, 102)는 각각 실린더 형상을 가지며 서로 나란히 배치된다. 그리고, 파우치(23)를 테이핑 장치(1)에 장착하면, 실링부(234)가 일측으로 폴딩된 상태로, 상기 파우치(23)의 측부가 제1 및 제2 롤러(101, 102)의 사이에 삽입된다. 그러면, 제1 및 제2 롤러(101, 102)가 회전하면서 상기 파우치(23)의 측부의 양 면을 가압한다. 그럼으로써, 파우치(23)의 측부에 테이프(3)가 부착될 수 있다.
그런데, 상기 활성화 공정 중에는, 내부에서 발생한 가스에 의해 파우치(23)의 수용 공간(2333)이 팽창한다. 그리고, 디가싱 공정이 수행되어 가스가 외부로 배출되면서, 팽창했던 수용 공간(2333)이 다시 수축한다. 이러한 과정에서 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 수용 공간(2333)을 포위하는 파우치(23)의 특정 영역에서 미세하게 연신되어 주름(4)이 발생한다. 특히 상기 기술한 바와 같이, 실링부(234)가 상부 파우치(231)로부터 외측으로 연장되므로, 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)가 서로 실링된 실링부(234)와 서로 실링되지 않은 수용 공간(2333)의 경계가, 상부 파우치(231)에 형성된다. 그런데 수용 공간(2333)이 팽창을 하면서, 상기 경계 근방에서 장력이 가장 많이 발생한다. 따라서, 수용 공간(2333)을 상부에서 커버하는 상부 파우치(231)에서, 상기 수용 공간(2333)의 코너에 대응되는 영역(2311)이 미세하게 연신되어 주름(4)이 발생할 가능성이 특히 높다.
도 7은 종래의 롤러(11)의 사시도이고, 도 8은 종래의 테이핑 장치를 이용하여 파우치(23)의 내부에 발생한 크랙의 모습을 나타낸 도면이다.
종래에는 도 7에 도시된 바와 같이, 테이핑 장치의 롤러(11)에 단차가 형성되지 않았다. 따라서, 두 롤러(11) 사이에 파우치(23)의 측부가 삽입되면, 두 롤러(11)가 상기 주름(4)을 함께 가압함으로써, 도 8에 도시된 바와 같이 파우치(23)의 내부, 특히 실란트층(2353)에서 크랙(Crack)이 발생하는 문제가 있었다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러(10)의 사시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치(1)에 포함된 롤러(10)가 이차 전지(2)의 측부와 근접해지는 모습을 나타낸 개략도이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치(1)에 포함된 롤러(10)가 이차 전지(2)의 측부에 테이프(3)를 부착하는 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치(1)의 제1 롤러(101)는, 적어도 하나의 단부에 내측으로 함몰 형성된 단차(1011)를 포함한다. 특히 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 롤러(101)의 양 단부에 모두, 상기 단차(1011)를 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 이러한 단차(1011)를 포함하는 제1 롤러(101)는, 측부의 양 면 중에서도, 특히 실링부(234)가 연장되는 상부 파우치(231)의 외측면을 가압할 수 있다. 반면에, 단차(1011)를 포함하지 않는 제2 롤러(102)는, 측부의 양 면 중에서, 컵부(233)가 형성된 하부 파우치(232)의 외측면을 가압할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 제1 롤러(101)와 제2 롤러(102)는, 중심부에서는 서로 굵기가 유사하나, 단부에서는 제1 롤러(101)에 단차(1011)가 내측으로 함몰되어 형성되므로, 제1 롤러(101)의 굵기가 제2 롤러(102)보다 더 가늘 수 있다.
따라서, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 파우치(23)의 측부가 제1 롤러(101) 및 제2 롤러(102)의 사이에 삽입되면, 파우치(23)의 측부의 중심부에서는, 양 면이 균일하게 압력을 인가받아 테이프(3)가 기울어지지 않고 정위치에 부착될 수 있다. 반면에 파우치(23)의 측부의 양 단부에서는, 상부 파우치(231)에서 주름(4)이 발생한, 수용 공간(2333)의 코너에 대응되는 영역(2311)에 인가되는 압력을 감소시켜, 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 롤러(10a)의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤러(10) 중의 제1 롤러(101)는, 적어도 하나의 단부에 내측으로 함몰 형성된 단차(1011)를 포함한다. 그런데 단차(1011)가 형성된 채로 제1 롤러(101)가 파우치(23)를 가압하면, 단차(1011)를 경계로 압력의 크기가 급격하게 변화한다. 따라서, 파우치(23)에 또 다른 크랙 또는 손상이 발생할 수 있다.
이에, 본 발명의 다른 실시예에 따른 롤러(10a) 중의 제1 롤러(101a)는, 도 12에 도시된 바와 같이, 내측으로 함몰 형성된 단차(1011a)가 챔퍼링될 수 있다. 단차(1011a)가 챔퍼링됨으로써, 제1 롤러(101a)가 파우치(23)를 가압하더라도, 단차(1011a)를 경계로 압력의 크기 변화가 완만하여, 파우치(23)에 크랙 또는 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 제1 롤러(101a)의 단차(1011a)에 챔퍼링되는 곡률 반지름은 제한되지 않고 다양할 수 있으나, 상기 단차(1011a)의 깊이보다 작은 것이 바람직하다.
도 13은 도 10의 모습을 측면에서 나타낸 측면도이다.
이러한 크랙의 발생을 더욱 효과적으로 방지하기 위해서, 제1 롤러(101)의 단부에서 단차(1011)가 형성되는 위치는, 주름(4)이 발생하는 영역 즉, 상부 파우치(231)에서 수용 공간(2333)의 코너에 대응되는 영역(2311)보다 내측이어야 한다.
구체적으로 도 13에 도시된 바와 같이, 먼저 제1 롤러(101)의 전체 길이(L1)는, 파우치(23)의 길이(L2)보다 긴 것이 바람직하다. 그럼으로써, 파우치(23)의 측부에 전체적으로 테이프(3)를 부착할 수 있다. 그리고, 제1 롤러(101)에서 양 단부에 단차(1011)들이 형성된 지점 사이의 길이(L3)는, 상기 파우치(23)의 길이(L2)보다 짧으며, 바람직하게는 수용 공간(2333)이 마련된 컵부(233)의 길이(L4)보다 짧은 것이 바람직하다.
한편, 일반적으로 상부 파우치(231)에서 주름(4)이 발생하는 영역, 즉 수용 공간(2333)의 코너에 대응되는 영역(2311)은, 수용 공간(2333)을 구현하는 컵부(233)의 일측 벽으로부터 일정 길이(L5) 내에 포함되는 영역이다. 상기 일정 길이(L5)란 주름(4)이 발생하는 영역의 폭을 나타낸다. 즉, 수용 공간(2333)을 구현하는 컵부(233)의 일측 벽으로부터, 주름(4)이 더 이상 발생하지 않는 지점까지의 길이를 나타낸다. 그런데 주름(4)은 수용 공간(2333)의 코너에 대응되는 영역(2311)에만 발생하므로, 상기 일정 길이(L5)는 제한적이다. 이러한 상기 일정 길이는, 컵부(233)의 높이에 따라 상이할 수 있으나, 실험적으로 측정하면 일반적으로 대략 20 mm 내지 40 mm 일 수 있다.
그리고 제1 롤러(101)에서 양 단부에 단차(1011)들이 형성된 지점은, 상기 상부 파우치(231)에서 수용 공간(2333)의 코너에 대응되는 영역(2311)보다 내측에 위치할 수 있다. 즉, 상기 단차(1011)들이 형성된 지점은, 컵부(233)의 양측 벽으로부터 각각 상기 일정 길이(L5) 또는 그 이상의 길이만큼 내측에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 상기 단차(1011)들이 형성된 지점은, 컵부(233)의 양측 벽으로부터 각각 20 mm 내지 60 mm 내측에 위치할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20 mm 내지 40 mm 내측에 위치할 수 있다. 만약 상기 단차(1011)들이 컵부(233)의 양측 벽으로부터 각각 20 mm보다 작은 길이만큼 내측에 위치한다면, 제1 롤러(101)에서 단차(1011)가 형성되지 않은 부분이 수용 공간(2333)의 코너에 대응되는 영역(2311)을 크게 침범한다. 따라서, 제1 롤러(101)에서 단차(1011)가 형성되지 않은 부분이 상기 주름(4)을 함께 가압하므로, 여전히 크랙 발생을 방지할 수 없다. 반면에 만약 상기 단차(1011)들이 컵부(233)의 양측 벽으로부터 각각 60 mm보다 큰 길이만큼 내측에 위치한다면, 제1 롤러(101)의 가압력이 저하되어 테이핑의 부착력이 약화될 수 있다.
한편, 예를 들어 상기 일정 길이(L5)가 40 mm, 즉 주름(4)이 컵부(233)의 일측 벽으로부터 40 mm 떨어진 지점까지 형성되었는데, 제1 롤러(101)에서 상기 단차(1011)들이 컵부(233)의 양측 벽으로부터 각각 20 mm만큼 내측에 위치하는 경우가 있다. 이러한 경우에는 제1 롤러(101)에서 단차(1011)가 형성되지 않은 부분이 상기 주름(4)의 일부를 함께 가압할 수도 있다. 그러나, 일반적으로 주름(4)은 컵부(233)의 양측 벽으로부터 멀수록 개수 또는 깊이가 급격하게 감소한다. 따라서, 주름(4)이 컵부(233)의 일측 벽으로부터 40 mm 떨어진 지점까지 형성되더라도, 주름(4)의 개수가 매우 적거나 깊이가 매우 얕으므로, 크랙 발생 가능성이 크지 않을 수 있다. 즉, 상기 단차(1011)는 컵부(233)의 양측 벽으로부터 각각 20 mm만큼 내측에 위치하더라도 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
이러한 제1 롤러(101)에서 양 단부에 단차(1011)들이 형성된 지점 사이의 길이(L3)는 다음과 같은 수식을 만족한다.
[식 1]
L3 ≤ L4 - (2×L5)
상기 식 1에 따르면, 제1 롤러(101)에서 양 단부에 단차(1011)들이 형성된 지점 사이의 길이(L3)는, 수용 공간(2333)이 마련된 컵부(233)의 길이(L4)에서 일정 길이(L5)의 두 배를 뺀 값과 같거나 더 작다.
도 14는 본 발명의 제조예에 따른 테이핑 장치(1)와 비교예의 테이핑 장치를 이용하여 각각 실제 실험을 수행한 데이터를 나타낸 표이다.
상기 기술한 내용에 따라 실제 실험을 수행하였다. 여기서, 본 발명의 제조예는 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치(1)를 제조한 하나의 예시이고, 비교예는 종래의 테이핑 장치를 제조한 하나의 예시이다. 이하, 실제 수행한 실험예에 대하여 설명한다.
먼저, 가장 많이 사용되는 이차 전지(2) 중 하나인 가로 100.5 mm, 세로 548 mm, 두께 8.65 mm 의 이차 전지(2)에 대하여 테이핑 작업을 수행하였다. 제1 및 제2 롤러(101, 102)의 길이는 630 mm이며, 본 발명의 제조예에 따른 제1 롤러(101)의 양 단부에만, 각각 455 mm의 길이, 2 mm의 깊이로 단차를 형성하였다. 그리고 비교예에 따른 롤러(11)는 상기 본 발명의 제조예와 동일한 630 mm의 길이를 가지나, 제1 롤러의 양 단부에는 단차를 형성하지 않았다.
상기 기술한 바와 같이, 제1 롤러(101)의 전체 길이(L1)는 630 mm이고, 파우치(23)의 길이(L2)는 548 mm이므로, 제1 롤러(101)의 전체 길이(L1)가, 파우치(23)의 길이(L2)보다 길다. 그리고, 제1 롤러(101)에서 양 단부에 단차(1011)들이 형성된 지점 사이의 길이(L3)는 455 mm이고, 수용 공간(2333)이 마련된 컵부(233)의 길이(L4)는, 실링부(234)의 폭에 따라 상이할 수 있으나, 대략 500 mm 정도이다. 따라서, 제1 롤러(101)에서 양 단부에 단차(1011)들이 형성된 지점 사이의 길이(L3)는 수용 공간(2333)이 마련된 컵부(233)의 길이(L4)보다 짧다.
그리고 상기 기술한 바와 같이, 일정 길이(L5)는 20 mm 내지 40 mm 일 수 있다. 그런데, 본 발명의 제조예에서, 제1 롤러(101)에서 양 단부에 단차(1011)들이 형성된 지점 사이의 길이(L3)인 455 mm는, 수용 공간(2333)이 마련된 컵부(233)의 길이(L4)인 500 mm에서, 일정 길이(L5)의 범위인 22.5mm의 두 배를 뺀 값이다. 즉, 단차(1011)들이 형성된 지점은, 상기 상부 파우치(231)에서 수용 공간(2333)의 코너에 대응되는 영역(2311)보다 상기 일정 길이(L5)만큼 내측에 위치하므로, 상기 식 1을 만족한다.
본 발명의 제조예와 비교예에 따른 테이핑 장치(1)로 상기 이차 전지(2)들에 테이핑 작업을 수행하였다. 그리고, 파우치(23)의 내부에서 크랙이 발생하면 절연 전압이 불량으로 나타나므로, 이차 전지(2)들에 나타난 절연 전압의 불량을 확인함으로써 파우치(23) 내부의 크랙 발생 여부를 파악하였다. 그리고, 비교예에 따르면, 대략 2017년 8월 29일부터 동년 9월 15일까지 테이핑 작업한 이차 전지(2)에서 샘플링하여 절연 전압의 불량을 확인하였고, 본 발명의 제조예에 따르면, 대략 2017년 9월 16일부터 동년 10월 17일까지 테이핑 작업한 이차 전지(2)에서 샘플링하여 절연 전압의 불량을 확인하였다.
그 결과, 비교예에 따르면 초도 불량률이 43%, 평균 불량률은 16.07%였으나, 본 발명의 제조예에 따르면 초도 불량률이 3.8%, 평균 불량률은 1.8%로 나타나, 불량률이 현저하게 개선된 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 테이핑 장치(1)를 이용하여 이차 전지(2)의 파우치(23)의 측부에 테이핑 작업을 수행하면, 테이프(3)가 기울어지지 않고 정위치에 부착될 수 있을 뿐만 아니라, 파우치(23)에서 크랙이 발생하는 것을 방지하여 이차 전지(2)의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이차 전지 테이핑 장치 2: 이차 전지
3: 테이프 4: 주름
10: 롤러 20: 전극 조립체
21: 전극 탭 22: 전극 리드
23: 전지 케이스 24: 절연부
101: 제1 롤러 102: 제2 롤러
211: 양극 탭 212: 음극 탭
221: 양극 리드 222: 음극 리드
231: 상부 파우치 232: 하부 파우치
233: 컵부 2333: 수용 공간
234: 실링부 235: 파우치 필름
1011: 단차 2351: 가스 배리어층
2352: 표면 보호층 2353: 실란트층

Claims (12)

  1. 각각 실린더 형상을 가지며 서로 나란히 배치되고, 이차 전지의 파우치의 측부가 사이에 삽입되면, 상기 측부의 양 면을 각각 가압하며 상기 측부에 테이프를 부착하는 제1 롤러 및 제2 롤러를 포함하고,
    상기 제1 롤러는,
    적어도 하나의 단부에 내측으로 함몰 형성된 단차를 포함하고,
    양 단부에 모두 상기 단차를 포함하며,
    전체 길이가, 상기 파우치의 길이보다 길고,
    상기 단차들이 형성된 지점 사이의 길이가, 상기 파우치의 길이보다 짧으며, 상기 파우치에 형성되어 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부의 길이보다 짧은, 이차 전지 테이핑 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지의 파우치는,
    전극 및 분리막이 적층된 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부를 포함하는 하부 파우치; 및
    상기 수용 공간을 상부에서 커버하는 상부 파우치를 포함하는, 이차 전지 테이핑 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파우치의 측부는,
    상기 측부의 외측을 향해 형성된 실링부가 일측으로 폴딩된 상태로, 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러의 사이에 삽입되는, 이차 전지 테이핑 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실링부는,
    상기 하부 파우치 및 상기 상부 파우치가 서로 실링되어 형성되며, 상기 상부 파우치와 동일 평면상에 위치하는, 이차 전지 테이핑 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실링부는,
    상기 상부 파우치로부터 상기 하부 파우치를 향하는 방향으로 폴딩되는, 이차 전지 테이핑 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 롤러는,
    상기 측부의 양 면 중에서, 상기 실링부가 연장되는 상기 상부 파우치의 외측면을 가압하는, 이차 전지 테이핑 장치.
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  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 롤러는,
    상기 단차들이 형성된 지점이, 상기 컵부의 양측 벽으로부터 각각 내측에 위치하는, 이차 전지 테이핑 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단차들이 형성된 지점은,
    상기 컵부의 양측 벽으로부터 각각 20 mm 내지 60 mm 내측에 위치하는, 이차 전지 테이핑 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단차들이 형성된 지점은,
    상기 컵부의 양측 벽으로부터 각각 20 mm 내지 40 mm 내측에 위치하는, 이차 전지 테이핑 장치.
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