KR19980020093A - 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤 - Google Patents

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Abstract

전지 제작용 극판 복합체를 와인딩하는 장치에 사용되는 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤이 개시되어 있다.
종래의 이송 롤을 사용한 와인딩 장치에서는 양극판, 음극판 및 격리판으로 형성된 극판 복합체를 와인딩하는 과정에서 무리한 응력이 가해져서 판 자체가 손상되거나, 활물질 층이 균열되거나, 파괴되어 전지의 성능과 수명에 영향을 주는 문제가 있었다.
따라서, 오일이 충전된 롤 본체의 중공부에 설치되는 히터, 및/또는 롤 몸체의 외부면의 코팅층 하부에 매설되는 열선을 가열 수단으로 사용함으로써 이송 및 압연 롤을 통과하는 극판 복합체를 적정한 온도로 가열하여 연성을 갖게하여 무리한 응력이 생성되지 않는 상태에서 와인딩 작업이 수행될 수 있게 하며 아울러, 극판 복합제의 두께를 조절이 가능하게 함으로써 이와 같은 문제를 해결하고자 하였다.
이와 같이 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤은 전지를 제작하기 위한 극판 복합체 와인딩 장치에 사용될 수 있다.

Description

가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤
본 발명은 전지의 극판 복합체을 와인딩하는 장치에 관한 것으로, 특히, 극판 복합체 와인딩 장치에 사용되는 가열 수단을 구비한 극판 복합체 이송 및 압연 롤에 관한 것이다.
대부분의 전지가 포터블 전원으로 사용되므로, 전지의 발전은 소형화와 경량화에 초점이 맞추어져 이루어져 왔다. 물론, 이와 같은 전지의 소형화와 경량화 외에도 에너지 밀도와 신뢰성을 높이는 것과 사용자의 편의를 위한 이차 전지의 급속 충전 등도 전지의 개발과 발전의 방향을 이루고 있다.
전지의 소형화와 경량화와 아울러 에너지 밀도의 향상을 기하기 위하여는, 활물질의 특성을 개선함은 물론이고, 음극판과 양극판의 박판화와 면적의 증대가 필수 조건이 된다. 박판화된 양극판과 음극판으로 사용될 수 있는 적합한 재료의 예로서는 전성이 좋은 알루미늄과 구리가 있다.
일반적으로 전지의 양극 및 음극 극판에는 각각의 활물질, 예를 들어, 양극 활물질인 이산화 망간 (MnO2)과 음극 활물질인 금속 리튬(Li)이 도포되어 있으며, 이와 같이 활물질이 도포된 양극 및 음극 극판은 전지의 형상, 크기 등에 따라 다양한 형태로 가공되어 이들 사이에 격리판이 배치되는 상태로 수용체, 즉, 전지 케이스 내에 배열되어 삽입된다. 전지의 형상이 원주형인 경우에는 통상적으로 원통형의 수용체의 높이에 상응하는 폭을 갖는 띠 형상의 양극판, 음극판, 및 격리판으로 형성된 극판 복합체를 와인딩하여 수용체에 삽입하게 된다. 이와 같은 와인딩 작업에는 복수 개의 이송 롤 및/또는 압연 롤이 사용된다.
그런데, 이와 같은 와인딩 작업이 이루어지는 과정에서, 활물질 층이 균열되거나, 파괴되어 전지의 성능과 수명에 영향을 주는 문제가 있었다. 이와 같은 균열과 파괴는 와인딩 과정에서 극판 복합체가 감겨진 와인딩의 직경이 점점 증가함에 따른 곡률의 변화와 극판 복합체가 감기는 속도와 공급 속도의 불일치 등에 기인한다. 곡률의 변화에 따른 문제는 직경이 점점 커지므로 와인딩 작업의 초기에 균열이 발생할 가능성이 높다. 극판 복합체가 감기는 속도와 공급 속도의 불일치의 문제는 4개의 판, 즉, 양극판, 음극판, 및 2개의 격리판이 일정한 두께를 갖는 경우에도 각각의 판이 감기는 속도가 변화하는데, 판의 공급 속도가 판이 감기는 속도와 정확히 일치시키는 것이 용이하지 않기 때문이다. 각각의 판이 감기는 속도의 차이는 각각의 판의 두께가 얇고 직경이 커질수록 감소한다. 더욱이, 각각의 판의 두께가 오차로 인하여 불균일할 경우에 각각의 판들이 감기는 속도도 불균일하게 변화된다. 이처럼 각각의 판들의 감기는 속도가 불균일할 경우에 이들을 공급하는 속도를 정확히 맞추는 것은 어려운 일이다. 특히, 판을 감는 작업의 전 단계 과정에서 판을 예비 성형하는 과정이 포함되는 경우에 판이 감기는 속도에 따라 판이 자유롭게 공급될 수 없기 때문이다. 따라서, 판이 공급되는 속도와 감기는 속도에 차이가 발생하는 경우, 이에 따라, 각각의 판에는 서로 다른 형태의 응력이 작용할 수 있다. 즉, 판이 공급되는 속도가 감기는 속도보다 클 경우에는 판이 압축되어 쭈그러드는 방향의 응력이 작용하고 판이 공급되는 속도가 감기는 속도보다 작을 경우에는 판이 신장되어 늘어나는 방향의 응력이 작용하게 된다.
이와 같은 응력이 작용하면, 응력은 각각의 판의 변형이나 전단계 공정의 각종 롤에서 판과 롤 사이에서의 미끄러짐으로 나타날 수 있다. 판이 변형되는 경우에 판 자체에 손상이 발생할 가능성이 있을 뿐만 아니라, 판에 도포된 활물질 층이 균일되거나 파괴될 수 있다. 활물질 층에 균열이나 파괴가 발생하는 경우에 전지의 성능과 수명에 영향을 주게 된다. 이와 같이, 와인딩 작업에서 발생되는 문제를 해결하기 위한 다양한 방안이 강구되었지만, 앞에서 설명한 바와 같이 와인딩 작업에서 실제로 발생하는 감기는 속도의 미세한 변화를 정밀하게 보상할 수 없으며 그러한 장치가 개발되는 경우라도 실제의 작업에 발생되는 극판의 두께에서의 오차 등에 의한 속도 변화까지 모두 보상할 수는 없는 것이다.
본 발명의 목적은 극판 복합체의 와인딩 장치에 사용되는 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤을 제공하는 것이다.
본 발명의 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤은 중공형의 원통의 형상을 가지며, 일 측면은 밀폐되어 있으며, 다른 측면은 그 중심부에 소정 크기의 관통구를 갖는 롤 본체, 상기 롤 본체의 양 측면에 각각 부착되어 있으며, 상기 관통구의 직경과 같은 내경을 갖는 제1 및 제2 롤 축, 상기 제1 및 제2 롤 축의 외주에 삽입 설치되어 각각의 롤 축을 회전 가능하게 지지하기 위한 적어도 2개의 베어링, 상기 롤 본체의 밀폐된 측면에 부착된 상기 롤 축의 단부에 설치된 롤 구동용 기어, 상기 롤 본체의 중공부에 충전되는 오일, 상기 관통구를 통하여 오일이 충전된 상기 롤 본체의 중공부에 삽입되어 설치되는 히터, 및 상기 롤 본체의 외주면에 형성된 코팅 층을 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤은 롤 본체의 외주면의 코팅 층 하부에 소정 간격으로 매설되어 설치되는 열선을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤은 롤 본체를 이루는 원통형 부분의 기층 내부에 복수 개의 변형 방지용 구멍이 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤은 중공형의 원통의 형상을 가지며, 양 측면은 밀폐되어 있으며, 각각의 측면은 그 중심부에 소정 크기의 관통구를 갖는 롤 본체, 상기 롤 본체의 양 측면의 상기 관통구를 관통하여 상기 롤 본체의 양측으로 연장되도록 설치되며 일측으로 연장된 부분에 복수 개의 통로가 형성된 롤 축, 상기 롤 축의 양측 외주에 삽입 설치되어 각각 롤 축을 회전 가능하게 지지하기 위한 적어도 2개의 베어링, 상기 롤 축의 일측 단부에 설치된 롤 구동용 기어, 상기 롤 본체의 외부로 연장된 일측의 롤 축의 내부의 통로를 통하여 전원에 연결되며, 상기 롤 본체의 외주면에 매설되어 소정 간격으로 설치되는 열선, 및 상기 롤 본체의 외주면의 열선 매설층의 상부에 형성된 코팅층을 포함하여 구성된다.
상기와 같은 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤을 사용하면, 와인딩되어지는 양극판, 음극판 및 2개의 격리판으로 형성된 극판 복합체는 가열된 한쌍의 이송 및 압연 롤 사이를 지나면서 그 열에 의해 연신성과 가공성이 향상되므로 극판 복합체 자체가 손상되거나 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 또한 롤은 롤 간격을 조정할 수 있도록 설치될 수 있어, 4개의 층으로 형성된 극판 복합체가 롤 사이를 지날 때, 일정한 두께로 압연할 수 있다. 즉, 극판 복합체의 두께가 와인딩 직전에 일정한 두께로 조정될 수 있어, 전지들 상호 간의 성능과 품질의 균일성의 관점에서는 극판 복합체의 패킹률의 편차와 전지 용량의 편차를 줄일 수 있어 전지들 상호 간의 성능과 품질의 편차를 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 롤을 사용하여 와인딩을 수행하는 모습을 보여주는 와인딩 장치의 일부에 대한 개략도,
도 2는 종래의 극판 복합체 이송 롤을 보여주는 개략도,
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 가열 수단을 구비한 롤의 구성을 보여주는 단면도이고, 도 3의 (b)는 롤 본체의 단면에 대한 부분 확대도,
도 4의 (a)는 본 발명에 따라 열선만을 가열 수단으로 사용하는 이송 및 압연 롤을 도시하는 단면도이고, 도 4의 (b)는 롤 본체의 단면에 대한 부분 확대도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1. 맨드렐 2. 극판 복합체
3. 롤 4. 롤 본체
5. 제1 롤 축 6. 제2 롤 축
8. 베어링 9. 기어
10. 히터 11. 열선
12. 오일 14. 코팅층
51. 롤 축
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 롤을 사용하여 와인딩을 수행하는 모습을 보여주는 와인딩 장치의 일부에 대한 개략도이고, 도 2는 종래의 극판 복합체 이송 및 압연 롤을 보여주는 개략도이다. 도 1과 도 2에 도시된 와인딩 장치는 이송 및 압연 롤이 사용되는 상황을 개략적으로 보여주는 것으로, 본 발명의 이송 및 압연 롤도 도시된 형태와 같이 사용될 수 있다. 도 1에는 두쌍의 이송 및 압연 롤(3)이 맨드렐(1)의 양쪽에 배치되어 있다. 극판 복합체(2)는 이송 및 압연 롤(3) 사이를 지나 도면의 우측에서 좌측으로 이송된다. 도면에서 화살표는 맨드렐(1)과 이송 및 압연 롤(3)의 회전 방향을 나타낸다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 가열 수단을 구비한 롤의 구성을 보여주는 단면도이고, 도 3의 (b)는 롤 본체의 단면에 대한 부분 확대도이다.
이송 및 압연 롤의 본체(4)는 중공형의 원통의 형상을 가지며, 일 측면은 밀폐되어 있으며, 다른 측면은 그 중심부에 소정 크기의 관통구(7)를 갖는 상태로 밀폐되어 있다. 제1 및 제2 롤 축(5)(6)은 동일 회전축을 이루도록 일직선 상에 정렬되어 롤 본체(4)의 양 측면에 각각 부착되어 있으며, 롤 본체(4)의 측면에 형성된 관통구(7)의 직경과 같은 내경을 갖는 파이프 형상을 갖는다. 관통구(7)가 형성된 본체의 측면에 부착되는 제1 롤 축(5)은 그 내경이 관통구(7)에 맞추어져 설치된다. 제1 및 제2 롤 축(5)(6)의 외주에는 각각의 롤 축(5)(6)을 회전 가능하게 지지하기 위한 베어링(8)이 삽입 설치되어 있다. 롤 본체(4)의 밀폐된 측면에 부착된 제2 롤 축(6)의 단부에는 롤 구동용 기어(9)가 설치되어 있어 제2 롤 축(6)을 통하여 롤 본체(4)를 회전시킨다. 롤 본체(4)의 중공부에는 오일(12)이 충전되어 있어, 열 전달 매체의 역할을 하면서, 롤 본체(4) 내부에 부식이 발생되지 않게 한다. 오일(12)을 매체로 하여 롤 본체(4)를 가열하기 위한 가열 수단인 히터(10)는 제1 롤 축(5)과 관통구(7)를 통하여 오일(12)이 충전된 롤 본체(4)의 중공부 내에 삽입되어 설치된다. 롤 본체(4)의 외주면의 상부에는 코팅층(14)이 형성되어 있다. 이와 같은, 코팅층(14)은 적정한 내마모성과 경도을 가지며, 표면의 조도(粗度)가 낮고 굴곡도가 낮게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 롤 본체(4)를 이루는 원통형 부분의 기층 내부에는 복수 개의 변형 방지용 구멍(13)이 형성되어 있다. 구멍들은 각각의 직경이 0.5 내지 1.0mm이며, 구멍과 구멍 사이는 5 내지 7mm가 되도록 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 롤 본체(4)를 가열하기 위한 가열 수단으로서 열선(11)이 롤 본체의 외주면의 코팅층(14)의 하부에 소정 간격으로 매설되어 진다. 열선(11)을 설치하는 경우에 열선(11)을 단독적인 가열 수단으로서 사용하는 경우와 히터와 더불어 추가적인 가열 수단으로 사용하는 경우가 있다. 이와 같이, 열선(11)을 설치하는 경우에는 제1 롤 축을 통하여 도선의 통로가 형성되어 전원과 연결될 수 있도록 한다. 즉, 열선으로 연결된 도선이 접속되는 축의 단부에서는 통상적으로 각종 모우터 등의 회전 기기에서 사용되는 연결 방식을 이용하여 전원과 연결되게 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 열선만을 가열 수단으로 사용한다. 도 4의 (a)는 본 발명에 따라 열선만을 가열 수단을 사용하는 이송 및 압연 롤을 도시하는 단면도이고, 도 4의 (b)는 롤 본체의 단면에 대한 부분 확대도이다.
도시된 바와 같이, 열선(11)만을 단독적인 가열 수단으로 사용하는 경우에는 히터(10)를 설치하지 않게되므로 롤 본체(4)의 구성과 형상은 다음과 같이 일부 변경될 수 있다. 롤 본체(4)는 중공형의 원통의 형상을 가지며, 양 측면은 밀폐되어 있으며, 각각의 측면은 롤 축(51)이 설치될 수 있도록 그 중심부에 소정 크기의 관통구(7)를 갖는다. 물론, 롤 본체는 중실형의 원통형의 형상을 가질 수도 있다. 롤 축(51)은 롤 본체(4)의 양 측면의 관통구를 관통하거나, 롤 본체(4)를 관통하여 롤 본체(4)의 양측으로 연장되도록 설치된다. 일측의 롤 축(51)의 연장된 부분에는 열선(11)의 도선이 통과할 수 있도록 복수 개의 통로가 형성된다. 2개의 베어링(8)이 롤 축(51)의 양측 외주에 삽입 설치되어 각각 롤 축을 회전 가능하게 지지한다. 롤 축(51)의 일측 단부에는 롤 구동용 기어(9)가 설치되어, 모우터와 같은 구동 장치(도시되지 않음)로부터 구동력을 전달받게 된다. 열선(11)은 롤 본체(4)의 외주면에 매설되어 소정 간격으로 설치되며, 열선(11)의 도선은 롤 본체(4)의 외부로 연장된 일측의 롤 축(51)의 내부의 통로를 통하여 전원에 연결된다. 코팅층(14)은 롤 본체(4)의 외주면의 열선(11) 매설층의 상부에 형성된다.
이 실시예에서 롤 본체(4)를 중실형으로 하는 경우에, 롤 본체는 원통형의 외부체와 원주형의 내부체를 결합하는 형태를 가지고, 그 사이에 열의 전달을 차단하는 단열층을 형성할 수도 있다. 물론, 여기서 사용되는 롤에서는 매우 높은 고온이 사용되는 것이 아니며, 열선을 매설하는 과정에서 열발산 방향과 열전달이 차단되어야 하는 방향을 고려하여 열효율을 증대시킬 수 있으므로, 롤 본체(4)를 원통형의 외부체와 원주형의 내부체로 나누어 제작하는 것은 선택적인 사항이다.
본 발명의 특징인 히터(10) 및/또는 열선(11)과 같은 가열 수단을 채용하는 경우에 이송 및 압연 롤(3)에 의한 극판 복합체(2)의 두께 조절이 이루어질 수 있다. 이때 양극판과 음극판이 금속 박막이나 박판인 경우에 가열에 의한 두께 조절은 통상적으로 열가소성 수지를 사용하여 제작되는 격리판에서 주로 이루어게 된다. 이때 가열 온도는 격리판을 이루는 재료가 손상되지 않을 정도의 온도에서 조절되어야 한다. 즉, 재료의 용융 온도보다 높은 온도로 가열되면, 재료가 녹아 내릴 수 있기 때문이다. 참고적으로 예를 들면, 격리판의 섬유 재료로 사용되는 폴리에틸렌의 용융온도 110 내지 137℃이고, 폴리프로필렌의 용융 온도는 165 내지 177℃이다.
또한, 양극판, 음극판 및 격리판으로 형성된 극판 복합체의 두께 조절은 한쌍을 이루는 이송 및 압연 롤 사이의 간격을 설정하는 것에 따라 이루지게 되며, 간격은 요구되는 극판 복합체의 두께에 따라, 예를 들면, 0.4 내지 1.0mm 정도로 설정된다. 다시 말해서, 열가소성 수지 재료로 형성된 판은 가열이 되지 않은 상태에서 미세한 두께 차이는 롤을 통과하는 동안은 탄성 변형을 하고 롤을 통과한 후에 본래의 두께로 돌아갈 수 있지만, 가열을 하는 경우에 소성 변형이 발생하여 두께 조절이 이루어질 수 있다. 또한 대부분의 재료들이 온도 상승과 함께 가공성과 연신성이 향상되므로, 와인딩 과정에서 다소의 응력이 가해지는 경우에도 재료가 파괴될 가능성은 낮아지게 된다.
양극판과 음극판 사이에 위치하는 격리판의 재료가 적절한 수준으로 변형될 수 있는 상태로 와인딩이 진행되면, 그렇지 않은 경우보다 판 사이에 발생되는 마찰이 감소된다. 즉, 활물질 층이 손상될 가능성이 줄어들게 된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤을 사용하면, 4개의 층으로 형성된 극판 복합체의 와인딩 작업과 두께 조절이 더 용이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 형성되는 와인딩 자체도 더 정밀하게 이루어질 수 있으므로, 두께가 불균일하여 엉성하게 감기는 경우에 비하여 패킹되는 극판 복합체의 양이 증가되어 소형화 또는 용량 증대에 유리하다. 또한, 균일한 작업이 가능하므로, 전지들 상호 간의 품질의 편차도 줄일 수 있어 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 물론, 본 발명에 의해 극판 복합체 와인딩에 관련된 모든 문제가 해결되는 것은 아니지만, 상기에 설명한 바와 같은 측면에서 효과를 얻을 수 있다. 또한, 다른 측면에서의 해결 방안과 결합되는 경우에 더욱 효과적일 수 있다

Claims (6)

  1. 중공형의 원통의 형상을 가지며, 일 측면은 밀폐되어 있으며, 다른 측면은 그 중심부에 소정 크기의 관통구를 갖는 롤 본체,
    상기 롤 본체의 양 측면에 각각 부착되어 있으며, 상기 관통구의 직경과 같은 내경을 갖는 제1 및 제2 롤 축,
    상기 제1 및 제2 롤 축의 외주에 삽입 설치되어 각각의 롤 축을 회전 가능하게 지지하기 위한 적어도 2개의 베어링,
    상기 롤 본체의 밀폐된 측면에 부착된 상기 롤 축의 단부에 설치된 롤 구동용 기어,
    상기 롤 본체의 중공부에 충전되는 오일,
    상기 관통구를 통하여 오일이 충전된 상기 롤 본체의 중공부에 삽입되어 설치되는 히터, 및
    상기 롤 본체의 외주면에 형성된 코팅층을 포함하여 구성되는 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 롤 축에는 복수 개의 통로가 그 단부까지 형성되어 있으며, 상기 제1 롤 축에 형성된 통로를 통하여 전원에 연결되며, 상기 롤 본체의 외주면의 상기 코팅층 하부에 매설되어 소정 간격으로 설치되는 열선이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 롤 본체를 이루는 원통형 부분의 기층 내부에 복수 개의 변형 방지용 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤.
  4. 중공형의 원통의 형상을 가지며, 양 측면은 밀폐되어 있으며, 각각의 측면은 그 중심부에 소정 크기의 관통구를 갖는 롤 본체,
    상기 롤 본체의 양 측면의 상기 관통구를 관통하여 상기 롤 본체의 양측으로 연장되도록 설치되며 일측으로 연장된 부분에 복수 개의 통로가 형성된 롤 축,
    상기 롤 축의 양측 외주에 삽입 설치되어 각각 롤 축을 회전 가능하게 지지하기 위한 적어도 2개의 베어링,
    상기 롤 축의 일측 단부에 설치된 롤 구동용 기어,
    상기 롤 본체의 외부로 연장된 일측의 롤 축의 내부의 통로를 통하여 전원에 연결되며, 상기 롤 본체의 외주면에 매설되어 소정 간격으로 설치되는 열선, 및
    상기 롤 본체의 외주면의 열선 매설층의 상부에 형성된 코팅층을 포함하여 구성되는 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 롤 본체가 중실형인 것을 특징으로 하는 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 롤 본체를 이루는 원통형 부분의 기층 내부에 복수 개의 변형 방지용 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 수단을 구비한 이송 및 압연 롤.
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