KR20120117306A

KR20120117306A - 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20120117306A
Application number: KR1020110034981A
Authority: KR
Inventors: 박희찬; 김상범; 양지동; 이준수; 류윤상
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-24
Also published as: KR101349205B1

Abstract

본 발명은 양극(anode), 음극(cathode) 및 분리막(separator)으로 이루어지는 이차 전지 내부 셀 스택(cell stack)을 적층 식으로 제조하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지그재그로 폴딩되는 분리막 사이에 양극/분리막/음극/분리막/양극 형태로 되는 복수의 A형 바이셀(Bi-cell)과 음극/분리막/양극/분리막/음극 형태로 되는 복수의 B형 바이셀(Bi-cell)을 교번하여 일시에 삽입시킨 후 적층하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 적층 장치 및 방법은 종래의 Z-폴딩 적층 방식의 경우 한 층씩 적층되기 때문에 하나의 셀 스택을 완성하는데 드는 시간이 매우 길었던 문제점을 원천적으로 제거하는 큰 효과가 있다. 보다 상세히 설명하자면, 본 발명에서는 분리막을 지그재그 형태로 미리 접어놓은 후 다수의 바이셀로 되는 제1 전극판 및 다수의 바이셀로 되는 제2 전극판을 양측에서 한꺼번에 다중 삽입함으로써 단번에 셀 스택의 완성체를 형성할 수 있게 되기 때문에, 종래에 비해 획기적으로 생산 시간을 단축하는 효과가 있는 것이다.

Description

이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법{Multi-Input Stacking Apparatus for Secondary Battery and Method of the same}

본 발명은 양극(anode), 음극(cathode) 및 분리막(separator)으로 이루어지는 이차 전지 내부 셀 스택(cell stack)을 적층 식으로 제조하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지그재그로 폴딩되는 분리막 사이에 양극/분리막/음극/분리막/양극 형태로 되는 복수의 A형 바이셀(Bi-cell)과 음극/분리막/양극/분리막/음극 형태로 되는 복수의 B형 바이셀(Bi-cell)을 교번하여 일시에 삽입시킨 후 적층하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법에 관한 것이다.

1차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 도 1은 이러한 이차 전지 중 하나인 리튬 전지의 작동 원리 모델을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 이차 전지는 양극판, 분리막, 음극판이 순차적으로 적층되어 전해질 용액에 담가진 형태로 이루어진다.

이와 같은 이차 전지 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다. 소형 이차 전지의 경우 음극판 및 양극판을 분리막 상에 배치하고 이를 말아서(winding) 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 제작하는 방식이 많이 사용되며, 보다 많은 전기 용량을 가지는 중대형 이차 전지의 경우에는 음극판, 양극판 및 분리막을 적절한 순서로 적층하여(stacking) 제작하는 방식이 많이 사용된다.

적층 식으로 이차 전지 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 여러 가지가 있는데, 그 중 Z-폴딩(Z-folding, zigzag folding 또는 accordion folding이라고도 함) 방식에서는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 분리막(3)이 지그재그로 접힌 형태를 이루며 그 사이에 음극판(1) 및 양극판(2)이 교번되어 삽입된 형태로 적층되도록 한다. 이와 같은 Z-폴딩 적층 형태로 이루어지는 이차 전지 내부 셀 스택은 한국등록특허 제0313119호, 미국공개특허 제2005/0048361호 등과 같은 여러 선행기술들에 개시되어 있다.

Z-폴딩 적층 형태를 실제로 구현하기 위해서, 한국등록특허 제0309604호와 같은 선행기술에서는 펼쳐진 상태의 분리막의 일측 면에 다수의 음극판을, 타측 면에 다수의 음극판을 배치한 후 접는 방식을 개시하고 있다. 이러한 방식은 젤리-롤 형태의 이차 전지 내부 셀 스택을 제작할 때도 널리 사용되고 있는 방식이다. 그러나 이러한 방식을 사용할 경우 음극판 및 양극판을 정렬(alignment)시키기에 난해함이 있어, 최근에는 Z-폴딩 적층 형태의 이차 전지 내부 셀 스택을 제작함에 있어서 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같은 장치가 종래에 사용되고 있다.

도 3에 도시된 방식에서는, 좌우로 이격된 개별 테이블에 음극판(1) 및 양극판(2)을 각각 쌓아 두고, 분리막 공급기 및 Z-폴딩 적층 장치(10')가 좌우로 소정 거리만큼 함께 이동하면서 분리막(3)을 지그재그 형태로 접되 다음과 같은 과정을 반복한다. 먼저 (도 3을 기준으로) 전체 장치가 좌측으로 이동했을 때 좌측의 Z-폴딩 적층 장치(10')가 음극판(1)을 흡착하여 두었다가, 우측으로 이동하여 좌측의 Z-폴딩 적층 장치(10')가 중심에 왔을 때 좌측의 Z-폴딩 적층 장치(10')는 상기 분리막(3) 상에 상기 음극판(1)을 놓아 배치한다. 이와 동시에 우측의 Z-폴딩 적층 장치(10')는 양극판(2)을 흡착한다. 이후 다시 좌측으로 이동하여 우측의 Z-폴딩 적층 장치(10')가 중심에 왔을 때 우측의 Z-폴딩 적층 장치(10')는 상기 분리막(3) 상에 상기 양극판(2)을 놓아 배치한다. 물론 이와 동시에 좌측의 Z-폴딩 적층 장치(10')가 음극판(1)을 흡착하여 두게 되며, 이러한 과정이 반복됨에 따라 상기 분리막(3)은 지그재그로 접힌 형태를 이루며, 또한 그 사이사이에 상기 음극판(1) 및 상기 양극판(2)들이 교번 삽입된 형태로 적층되게 된다.

도 4에 도시된 방식에서는, 분리막 공급기는 고정된 채 적층체가 놓인 테이블 및 Z-폴딩 적층 장치(10")가 각각 좌우로 이동하면서 적층을 수행한다. 분리막 공급기가 고정되어 있다는 점 외에는 도 3에 도시된 방식의 Z-폴딩 적층 장치(10')와 유사한 방식으로 작동되는바 상세한 설명은 생략한다.

그런데, 이와 같은 종래의 방식은 정렬 상태와 관련해서는 적절히 우수한 결과를 얻을 수 있으나, 단일의 양극판 및 음극판이 한 층씩 적층이 이루어지기 때문에 하나의 셀 스택을 완성하는데 걸리는 시간이 매우 길어지고, 이에 따라 생산성이 현저히 저하되는 문제점이 있다. 따라서 적층되는 양극판과 음극판의 우수한 정렬 상태는 물론이고, 생산 속도를 증가시켜 생산성이 우수한 셀 스택 기술의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 분리막을 지그재그 형태로 미리 접어놓은 후 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판 구조의 바이셀 형태로 되는 다수의 제1 전극판 및 음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 구조의 바이셀 형태로 되는 다수의 제2 전극판을 양측에서 한꺼번에 다중 삽입하는 방식으로 적층하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한 절곡되는 분리막의 양단을 커팅 하여 셀 스택의 부피를 줄이게 되는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 이차 전지 다중 삽입 적층 장치는, 지그재그로 접힌 형태로 형성된 분리막 및 상기 분리막이 접혀진 부분에 음극판 및 양극판이 교번 삽입되어 적층되는 형태로 이루어지는 이차 전지 내부 셀 스택을 제조하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치에 있어서, 분리막을 미리 지그재그 형태로 접어 전극 삽입공간을 형성한 후, 복수 개의 제1 전극판 및 복수 개의 제2 전극판을 일시에 상기 전극 삽입공간에 삽입하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1 전극판은, 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판 구조의 바이셀(bi-cell)이고, 상기 제2 전극판은 음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 구조의 바이셀(bi-cell)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이차 전지 다중 삽입 적층 장치에 의한 이차 전지 다중 삽입 적층 방법은, A) 상기 분리막이 지그재그 형태로 접혀 전극 삽입공간이 형성되는 단계; B) 복수 개의 제1 전극판 및 복수 개의 제2 전극판이 일시에 상기 전극 삽입공간에 삽입되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 적층 방법은 f) 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판 구조로 적층하여 제1 전극판을 형성하는 단계; g) 음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 구조로 적층하여 제2 전극판을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 분리막의 절곡부 양단을 커팅(cutting) 하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 적층 장치 및 방법은 종래의 Z-폴딩 적층 방식의 경우 한 층씩 적층되기 때문에 하나의 셀 스택을 완성하는데 드는 시간이 매우 길었던 문제점을 원천적으로 제거하는 큰 효과가 있다. 보다 상세히 설명하자면, 본 발명에서는 분리막을 지그재그 형태로 미리 접어놓은 후 다수의 바이셀로 되는 제1 전극판 및 다수의 바이셀로 되는 제2 전극판을 양측에서 한꺼번에 다중 삽입함으로써 단번에 셀 스택의 완성체를 형성할 수 있게 되기 때문에, 종래에 비해 획기적으로 생산 시간을 단축하는 효과가 있는 것이다.

따라서 본 발명에 의하면 이차 전지의 생산성을 극대화하는 효과가 있으며, 이에 따라 이차 전지 생산 비용 역시 크게 저감시켜 상품성 역시 최대화하는 경제적 효과 또한 있다.

도 1은 일반적인 이차 전지의 작동 모델
도 2는 Z-폴딩 적층 방식으로 제조된 이차 전지 내부 셀 스택 측면도
도 3 및 도 4는 종래의 Z-폴딩 적층 방식 개념도
도 5는 본 발명의 Z-폴딩 적층 방식의 기본 개념도
도 6은 본 발명의 제1 전극판 단면도
도 7은 본 발명의 제2 전극판 단면도
도 8은 본 발명의 다른 실시 예의 Z-폴딩 적층 방식의 기본 개념도
도 9는 본 발명의 다른 실시 예의 제1 전극판 단면도
도 10은 본 발명의 다른 실시 예의 제2 전극판 단면도
도 11 내지 도 17은 본 발명의 셀 스택 제작 방법의 각 단계 개념도

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법의 기본적인 개념을 간략히 도시한 것이다. 본 발명의 이차 전지 다중 삽입 적층 장치 및 방법에서는, 분리막(300)을 지그재그 형태로 미리 접어놓은 후 다수 개의 제1 전극판(100) 및 다수 개의 제2 전극판(200)을 양측에서 한꺼번에 다중 삽입하도록 한다.

종래에는 분리막 상에 먼저 음극판 및 양극판을 배치한 후 분리막을 접어서 셀 스택을 제작하거나, 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 분리막(3)을 한 번 접고 음극판(1)을 배치하고 그 위로 다시 분리막(3)을 접고 양극판(2)을 배치하는 단계를 여러 번 반복하여(즉 한 층 한 층 적층하여) 셀 스택을 제작하는 방식을 사용하였다. 따라서 전자의 경우(분리막에 음극판 및 양극판을 배치한 후 접는 방법) 전극들의 정렬 상태를 양호하게 제작하는데 어려움이 있었으며, 후자의 경우(한 층 한 층 적층하는 경우) 하나의 셀 스택을 완성하는데 드는 시간이 너무 오래 걸리게 되는 단점이 있었다.

그러나 본 발명에서는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 상기 분리막(300)을 미리 지그재그로 접어 셀 스택이 완성되었을 때의 형태로 만들어 놓고, 지그재그로 접어짐으로써 좌우로 만들어지는 공간에 다수 개의 전극을 단번에 삽입하여 셀 스택을 제작하기 때문에, 정렬 상태가 양호해질 뿐만 아니라 생산 시간도 획기적으로 줄일 수 있게 되는 것이다.

이때, 상기 제1 전극판(100) 및 제2 전극판(200)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 바이셀(bi-cell) 형태로 구성되어 상기 분리막(300)의 공간에 삽입되기 때문에 생산 시간을 더욱 획기적으로 줄일 수 있게 된다.

단위 전극은 양극 또는 음극 구조의 일 개체의 전극을 의미한다. 상기 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 셀을 의미한다. 대표적인 예가 도 6 및 도 7에 개시되어 있는 바, 본 발명의 제1 전극판(100)은 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 셀, 즉, 양측에 양극이 위치하는 A형 바이셀로 구성되고, 제2 전극판(200)은 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀, 즉, 양측에 음극이 위치하는 B형 바이셀로 구성된다. 상기 제1 전극판(100) 및 제2 전극판(200)은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.

다른 실시 예로 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극판(100)은 양극/분리막/음극 구조로 되고, 상기 제2 전극판(200)은 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극의 구조로도 구성이 가능하다. 다만 도 8 내지 도 10에 도시된 실시 예의 경우 셀 스택의 최상층 및 최하층의 구성을 음극 구조로 하기 위해 셀 스택의 최상층에 적층되는 전극판은 음극 구조의 음전극판이 적층될 수 있다.

한편, 제1 전극판(100) 및 제2 전극판(200)들이 양극/음극 대면 구조로 적층되었을 때, 가능하면 음극이 많은 면적을 차지하도록 구성함으로써, 예를 들어 리튬 이차전지에 사용되는 경우, 충방전 시 리튬 금속 등이 음극에서 수지상 성장(dendrite)하는 현상을 최대한 억제할 수 있다.

따라서 이를 위한 하나의 바람직한 예에서, 셀 스택의 각각 외면을 형성하는 최상층 및 최하층에는 음극이 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 셀 스택의 각각 외면을 형성하는 최상층 및 최하층에는 각각 제2 전극판(200)이 적층되어 있는 것이 바람직하다. 다만 도 8 내지 도 10에 도시된 실시 예의 경우 셀 스택의 최상층 및 최하층의 구성을 음극 구조로 하기 위해 셀 스택의 최상층에 적층되는 전극판은 상기 제2 전극판(200)을 대신하여 음극의 단일 셀 구조의 음전극판이 적층될 수 있다.

도 11 내지 도 17은 본 발명에 의한 이차 전지 다중 삽입 적층 방법의 각 단계를 도시한 것이며, 본 발명에 의한 이차 전지 다중 삽입 적층 장치는 도 11 내지 도 14에서 간략하게 개념적으로 도시하였다.

먼저 도 11 내지 14를 참고로 하여 본 발명에 의한 이차 전지 다중 삽입 적층 장치의 구성에 대해 간략히 설명한다. 본 발명에 의한 이차 전지 다중 삽입 적층 장치는 지그재그로 접힌 형태로 형성된 분리막(300) 및 상기 분리막(300)이 접혀진 부분에 제1 전극판(100) 및 제2 전극판(200)이 교번 삽입되어 적층되는 형태로 이루어지는 이차 전지 내부 셀 스택을 제조하도록, 분리막 공급기(미도시), 한 쌍의 기준 롤러(11), 제1 맨드릴 열(12a), 제2 맨드릴 열(12b), 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)를 포함하여 이루어진다.

상기 분리막 공급기는 제1 방향으로 상기 분리막(300)을 공급한다. 여기에서 제1 방향이란 예를 들어 도 11에서와 같이 상하 방향(즉 중력 방향)이 될 수 있으나, 물론 반드시 상하 방향으로 제한되는 것은 아니며, 제작 편의 등의 요소에 의하여 적절히 변경될 수 있다. 도 11에서는 상기 분리막 공급기가 단지 화살표로 상기 분리막(300)을 공급하는 것이 표시되어 있으나, 실제로 상기 분리막 공급기를 구현함에 있어서는 상기 분리막(300)이 적절한 장력을 유지하면서도 부드럽고 원활하게 공급될 수 있도록 제1 방향을 따라 롤러, 제어 수단 등을 갖추도록 할 수 있다. 물론 이러한 조건만 만족한다면 본 발명에서는 상기 분리막 공급기로서 현재 상용화되어 있는 분리막 공급기나 또는 어떠한 형태로 된 분리막 공급기를 사용하여도 무방하다.

본 발명의 이차 전지 다중 삽입 적층 장치에 의하여 만들어지게 되는 셀 스택의 최상측 및 최하측 위치에는 한 쌍의 기준 롤러(11)가 각각 제1 방향으로 서로 이격되어 고정 배치된다. 상기 기준 롤러(11)의 이격 정도는 셀 스택 사이즈에 따라 결정되며, 상기 기준 롤러(11)에 의하여 상기 분리막(300)이 정 위치로 안내되게 된다.

상기 제1 맨드릴 열(12a) 및 제2 맨드릴 열(12b)은 도시된 바와 같이, 한 쌍의 상기 기준 롤러(11) 사이 영역에서 각각 다수 개의 맨드릴이 서로 제1 방향으로 동일 간격 이격 배치되어 이루어지며, 또한 상기 제1 맨드릴 열(12a) 및 제2 맨드릴 열(12b)은 상기 분리막(300)을 중심으로 제2 방향을 따라 각각 이격 배치되게 된다. 이 때, 상기 제1 맨드릴 열(12a) 및 제2 맨드릴 열(12b)은 제2 방향 및 제3 방향 각각으로 이동 가능하게 형성된다. 여기에서 제2 방향은 제1 방향과 수직인 방향이고, 제3 방향은 제1 방향 및 제2 방향과 수직인 방향을 말한다. 즉 예를 들어 도 11에서와 같이 제1 방향이 상하 방향일 경우 제2 방향이 좌우 방향, 제3 방향이 전후 방향이 될 수 있으나, 물론 반드시 이로써 제한되는 것은 아니며, 제작 편의 등의 요소에 의하여 적절히 변경될 수 있다. 즉 예를 들어 제1 방향이 상하 방향, 제2 방향이 전후 방향, 제3 방향이 좌우 방향이 될 수도 있고, 제1 방향이 좌우 방향, 제2 방향이 상하 방향, 제3 방향이 전후 방향이 될 수도 있는 등, 제작 편의 등의 요소에 따라 제1 방향이 결정되면, 제2 방향은 제1 방향과 수직인 방향 중에서 한 방향으로 결정되며, 또한 제3 방향은 제1 방향과 제2 방향 모두와 수직인 방향으로 자동적으로 결정될 수 있다.

도 13을 참조하면, 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)는 한 쌍의 상기 기준 롤러(11) 사이 영역에서 다수 개의 상기 제1 전극판(100) 또는 상기 제2 전극판(200)을 서로 제1 방향으로 동일 간격 이격 배치시키며, 또한 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)는 상기 분리막(300)을 중심으로 각각 이격 배치되게 된다. 이 때, 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)는 제2 방향 및 제3 방향 각각으로 이동 가능하게 형성되는데, 만일 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)가 제2 방향(즉 도면에서 좌우 방향)으로 이동할 경우 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)는 상기 분리막(300)을 중심으로 제2 방향(즉 도면에서 좌우 방향)으로 이격 배치되게 되며, 또는 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)가 제3 방향(즉 도면에서 전후 방향, 도면을 기준으로 지면으로 들어가거나 또는 나오는 방향)으로 이동할 경우 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)는 완성 시 상기 제1 전극판(100) 및 제2 전극판(200)의 위치에 대하여 제3 방향(즉 도면에서 전후 방향)으로 나란하게 이격 배치되게 된다. 이 때, 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)는 상기 제1 맨드릴 열(12a) 및 제2 맨드릴 열(12b)과 일체로 형성될 수도 있다.

참고로, 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b) 중 어느 쪽에 상기 제1 전극판(100) 또는 상기 제2 전극판(200)을 배치시키건 상관은 없으며, 다만 상기 제1전극 공급기(13a)에 상기 제1 전극판(100)을 배치시킬 경우 상기 제2 전극 공급기(13b)에는 상기 제2 전극판(200)을 배치시키면 되고, 반대로 상기 제1전극 공급기(13a)에 상기 제2 전극판(200)을 배치시킬 경우 상기 제2전극 공급기(13b)에는 상기 제1 전극판(100)을 배치시키면 된다.

이하 상기 제1 맨드릴 열(12a) 및 제2 맨드릴 열(12b) 및 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)의 초기 위치 및 상세 배치 형태 등에 대해서는 도 11 내지 도 17을 통한 각 부분의 단계별 동작 설명과 함께 보다 상세히 설명한다.

도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제1맨드릴 열(12a)을 이루는 맨드릴들과 상기 제2맨드릴 열(12b)을 이루는 맨드릴들은 상기 제1맨드릴 열(12a) 및 상기 제2맨드릴 열(12b)이 제2 방향(제1 방향과 수직인 방향, 도 11 내지 도 14의 예시에서는 제1 방향이 상하 방향, 제2 방향이 좌우 방향)으로 서로 교차되며 진행 가능하도록 제1 방향으로 서로 엇갈리도록 배치된다. 물론 도시된 바와 같이 상기 제1 맨드릴 열(12a)의 각 맨드릴들 위치와 상기 제2 맨드릴 열(12b)의 각 맨드릴들 사이의 위치가 제1 방향으로 나란하게(즉 도 11 내지 도 14에서 상하 방향에서의 위치가 동일하게), 또한 상기 제2 맨드릴 열(12b)의 각 맨드릴들 위치와 상기 제1 맨드릴 열(12a)의 각 맨드릴들 사이의 위치가 제1 방향으로 나란하게(즉 도 11 내지 도 14에서 상하 방향에서의 위치가 동일하게) 배치되는 것이 가장 바람직하다. 상기 제1 맨드릴 열(12a) 및 제2 맨드릴 열(12b)이 서로 교차되며 진행 가능하도록 각 맨드릴들 사이의 제1 방향으로의 간격은 각 맨드릴의 직경보다 같거나 크게 형성되어야 함은 물론이다.

이하에서 보다 상세히 설명하겠지만, 상기 제1 맨드릴 열(12a) 및 제2 맨드릴 열(12b)이 각각 제2 방향으로 서로 교차되면서 진행됨으로써 상기 분리막(300)이 지그재그 형태를 이루며 전극 삽입공간이 생성되게 된다. 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2전극 공급기(13b)는 바로 이 전극 삽입 공간으로 상기 제1 전극판(100) 및 상기 제2 전극판(200)을 삽입하게 된다. 따라서 상기 제1 맨드릴 열(12a)의 외측에 배치된 상기 제1 전극 공급기(13a)는, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제1 맨드릴 열(12a)을 이루는 맨드릴들과 제1 방향으로 나란하도록(즉 도 11 내지 도 14에서 상하 방향에서의 위치가 동일하도록) 상기 제1 전극판(100) 또는 상기 제2 전극판(200) 중 선택되는 한 종류의 전극판을 배치시키게 된다. 또한 이와 마찬가지로, 상기 제2맨드릴 열(12b)의 외측에 배치된 상기 제2 전극 공급기(13b)는, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 제2 맨드릴 열(12b)을 이루는 맨드릴들과 제1 방향으로 나란하도록 상기 제1 전극 공급기(13a)에 배치되지 않은 종류의 전극판을 배치시키게 된다. 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 제2 전극 공급기(13b)는 제3 방향으로 상기 제1 맨드릴 열(12a) 및 제2맨드릴 열(12b)과 나란하게 배치될 수도 있고, 또는 어긋나게 배치될 수도 있는데, 어느 경우에든 초기 위치에서 상기 제1 전극 공급기(13a) 및 상기 제1 맨드릴 열(12a)이 제1 방향으로 나란하도록(즉 상하 방향에서의 위치가 동일하도록) 배치되고, 상기 제2 전극 공급기(13b) 및 상기 제2 맨드릴 열(12b)이 제1 방향으로 나란하도록(즉 상하 방향에서의 위치가 동일하도록) 배치된다는 점은 동일하며, 그 각각에 대해서는 이하 각 동작 단계에서 보다 상세히 설명한다.

이제 본 발명에 의한 이차 전지 다중 삽입 적층 장치에 의한 이차 전지 다중 삽입 적층 방법에 대해 단계별로 설명한다.

먼저 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, a) 상기 분리막 공급기에 의하여 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b) 사이로 상기 분리막(300)이 공급된다.

다음으로 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, b) 상기 분리막(300)이 지그재그로 접힌 형태를 형성하도록, 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b)이 제2 방향으로 서로 교차 진행된다. 즉, 초기에는 도 11에 도시되어 있는 바와 같이 상기 분리막(300)을 중심으로 상기 제1 맨드릴 열(12a)이 상기 분리막(300)의 좌측에, 상기 제2 맨드릴 열(12b)이 상기 분리막(300)의 우측에 배치되어 있다가, 도 12에 도시되어 있는 바와 같이 상기 제1 맨드릴 열(12a)은 우측으로, 상기 제2 맨드릴 열(12b)은 좌측으로 서로 교차하면서 진행되는 것이다. 이 때 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b) 사이에는 상기 분리막(300)이 배치되어 걸리게 되므로, 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b)이 서로 교차 진행됨에 따라 상기 분리막(300)이 지그재그로 접힌 형태가 자연스럽게 이루어지게 되는 것이다.

상기 분리막 공급기는 상기 분리막(300)에 적절한 장력을 부여하면서도 부드럽고 원활하게 상기 분리막(300)이 공급되도록 해 주므로, 상기 분리막(300)은 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b) 및 최상하단에 위치한 한 쌍의 기준 롤러(11)에 의하여 적절한 장력으로 지그재그 형태를 유지할 수 있게 된다.

다음으로 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, c) 상기 분리막(300)이 지그재그로 접혀 좌우로 각각 형성된 전극 삽입 공간으로 상기 제1 전극판(100) 또는 상기 제2 전극판(200)이 삽입되도록, 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)가 제2 방향으로 진행된다.

이때 상기 제1 전극판(100)은 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 f) 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판 형태로 적층 구성된다. 상기 제1 전극판(100)은 h) 상기 구조로 적층 후 열과 압력으로 라미네이션 하여 제1 전극 공급기(13a)에 공급될 수 있고, 상기 구조로 적층 후 라미네이션을 거치지 않고 카세트 형태로 제1 전극 공급기(13a)에 공급될 수 있다. 전자의 경우 제1 전극판(100)의 이송 및 정렬이 용이하며 후자의 경우 라미네이션 과정을 거치지 않고 후술되는 l) 제1 방향으로 압착하는 공정 또는 가열하는 공정을 포함하는 후처리 공정을 통해 라미네이션 되기 때문에 처리공정을 더욱 간소화 하게 되는 이점이 있다.

상기 제2 전극판(200)은 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 g)음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 형태로 적층 구성된다. 상기 제2 전극판(200)은 h) 상기 구조로 적층 후 열과 압력으로 라미네이션 하여 제2 전극공급기(13b)에 공급될 수 있고, 상기 구조로 적층 후 라미네이션을 거치지 않고 카세트 형태로 제2 전극공급기(13b)에 공급될 수 있다.

또한, 상기 제1 전극판(100)은 도 9에 도시된 바와 같이 i)양극판/분리막/음극판 의 형태로 적층될 수도 있으며 이때의 상기 제2 전극판(200)은 도 10에 도시된 바와 같이 j)양극판/분리막/음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 의 형태로 적층되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)는 상기 b) 단계에서 형성된 전극 삽입 공간에 전극판들을 삽입하기만 한다면 제2 방향 또는 제3 방향 어느 쪽으로 이동하여도 무방한데, 각각의 경우에 대하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.

상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)가 제3 방향으로 상기 제1 및 제2맨드릴 열(12a)(12b)과 나란하게 배치되는 경우에는 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)의 이동은 다음과 같다. 도 13을 기준으로 하면, 상기 제1 맨드릴 열(12a)이 초기 좌측에 위치하였다가 우측으로 이동하면서 발생된 공간으로 상기 제1 전극판(100)이 삽입되도록, 상기 제1전극 공급기(13a)가 우측으로 진행되게 된다. 유사하게, 상기 제2 맨드릴 열(12b)이 초기 우측에 위치하였다가 좌측으로 이동하면서 발생된 공간으로 상기 제2 전극판(200)이 삽입되도록, 상기 제2 전극 공급기(13b)가 좌측으로 진행되게 된다. 즉 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)는 각각 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b)의 교차 진행되는 방향과 같은 방향으로 진행되는 것이다. 물론 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)는 상기 분리막(300)의 전극 삽입 공간으로 전극을 삽입하기만 하면 되므로, 서로 교차되면서 진행할 필요는 없으며, 상기 제1 전극판(100) 및 상기 제2 전극판(200)이 정렬되는 위치까지만 진행되면 된다.

상기 제1 전극판(100) 및 상기 제2 전극판(200)이 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)에 의하여 지그재그로 접혀진 상기 분리막(300)의 전극 삽입 공간으로 삽입되어 정렬 배치되면, 이제 상기 제1 및 제2맨드릴 열(12a)(12b) 및 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)가 제거되게 된다. 즉, 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, d) 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)가 상기 제1 전극판(100) 또는 상기 제2 전극판(200)으로부터 분리되고, 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b)이 제3 방향(제1 방향 및 제2 방향과 수직인 방향, 도 11 내지 도 14의 예시에서는 제1 방향이 상하 방향, 제2 방향이 좌우 방향, 제3 방향이 전후 방향)으로 이동하여 제거되는 것이다. 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)는 상기 제1 전극판(100) 또는 상기 제2 전극판(200)을 잡고 있던 부분을 놓은 후 각각 좌우 방향 또는 전후 방향(제2방향 또는 제3방향)으로 후퇴하여 초기 위치로 되돌아가면 되며, 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b)은 전방 또는 후방(즉 도 11을 기준으로 하면 지면에서 나오는 방향 또는 들어가는 방향)으로 이동됨으로써 상기 분리막(300)으로부터 이탈될 수 있게 된다. 상기 제1 및 제2 맨드릴 열(12a)(12b)의 경우에는 상기 분리막(300)을 손상시키기 않으면서 제거되어야 하기 때문에 도 11을 기준으로 할 때 전후 방향(제3방향)으로 이동되어 제거되어야만 하겠으나, 상기 제1 및 제2 전극 공급기(13a)(13b)는 이러한 제한 조건이 없으므로 좌우 방향 또는 전후 방향(제2방향 또는 제3방향) 중 어느 쪽으로든 이동되어 제거되어도 무방하다. 물론 모든 경우에 있어서, 제작 편의 등의 이유에 따라 상술한 예시 이외의 다른 방향으로의 움직임이 더 포함되어도 무방하며, 이는 당업자의 설계 변경에 해당하는바 상세한 설명은 생략한다.

마지막으로 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, e) 최상측 또는 최하측의 상기 기준 롤러(11) 위치에서 상기 분리막(300)이 절단됨으로써, Z-폴딩 적층 방식으로 만들어진 셀 스택이 완성된다. 물론 상기 e) 단계 이후에 l) 상기 a) 내지 e) 단계를 통해 완성된 셀 스택 적층체를 제1 방향으로 압착하는 공정 또는 가열하는 공정을 포함하는 후처리 공정이 더 수행될 수 있으며, 이는 제품이나 재질 등에 따라 적절히 결정될 수 있는 것인 바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 16 및 도 17을 참조하면, 상기 l)단계를 거친 후 본 발명의 셀 스택 적층체는 m) 절곡된 분리막(300)의 양단을 제1 방향으로 레이저 커팅 하는 단계를 수행한다. 따라서 도 13에 도시된 바와 같이 절곡된 분리막(300)의 양단이 제거됨으로써 셀 스택 적층체의 부피를 줄일 수 있으며, 이에 따라 이차 전지의 용량을 증대 시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100 : 제1 전극판 200 : 제2 전극판
300 : 분리막
11: 기준 롤러
12a: 제1 맨드릴 열 12b: 제2 맨드릴 열
13a: 제1 전극 공급기 13b: 제2 전극 공급기

Claims

지그재그로 접힌 형태로 형성된 분리막 및 상기 분리막이 접혀진 부분에 음극판 및 양극판이 교번 삽입되어 적층되는 형태로 이루어지는 이차 전지 내부 셀 스택을 제조하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치에 있어서,
분리막을 미리 지그재그 형태로 접어 전극 삽입공간을 형성한 후, 복수 개의 제1 전극판 및 복수 개의 제2 전극판을 일시에 상기 전극 삽입공간에 삽입하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치.
제 1항에 있어서,
상기 이차 전지 다중 삽입 적층 장치는,
제1 방향으로 상기 분리막을 공급하는 분리막 공급기;
상기 분리막을 안내하며, 셀 스택의 최상측 및 최하측 위치에 제1 방향으로 서로 이격되어 고정 배치되는 한 쌍의 기준 롤러;
상기 분리막을 중심으로 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 각각 이격 배치되며, 한 쌍의 상기 기준 롤러 사이 영역에서 각각 다수 개의 맨드릴이 서로 제1 방향으로 동일 간격 이격 배치되어 이루어져 제2 방향 및 상기 제1 방향과 제2 방향에 수직한 제3 방향 각각으로 이동 가능하게 형성되는 제1 맨드릴 열 및 제2 맨드릴 열;
상기 분리막을 중심으로 제2 방향을 따라 각각 이격 배치되며, 한 쌍의 상기 기준 롤러 사이 영역에서 다수 개의 상기 제1 전극판 또는 상기 제2 전극판을 서로 제1 방향으로 동일 간격 이격 배치시켜 제2 방향 및 제3 방향 각각으로 이동 가능하게 형성되는 제1 전극 공급기 및 제2 전극 공급기;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치.
제 2항에 있어서,
상기 이차 전지 다중 삽입 적층 장치는,
초기 위치에서 상기 분리막을 중심으로, 상기 제1 맨드릴 열의 외측에 상기 제1 전극 공급기가 배치되고, 상기 제2 맨드릴 열의 외측에 상기 제2 전극 공급기가 배치되며,
상기 제1 맨드릴 열을 이루는 각각의 맨드릴과 상기 제2 맨드릴 열을 이루는 각각의 맨드릴은 상기 제1 맨드릴 열 및 상기 제2 맨드릴 열이 제2 방향으로 서로 교차되며 진행 가능하도록 제1 방향으로 서로 엇갈리도록 배치되며,
상기 제1 전극 공급기는 상기 제1 맨드릴 열을 이루는 각각의 맨드릴과 제1 방향으로 나란하도록 상기 제1 전극판 또는 상기 제2 전극판 중 선택되는 어느 하나를 배치시키고, 상기 제2전극 공급기는 상기 제2 맨드릴 열을 이루는 각각의 맨드릴과 제1 방향으로 나란하도록 상기 제1 전극판 또는 상기 제2 전극판 중 선택되는 다른 하나를 배치시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전극판은, 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판 구조의 바이셀(bi-cell)이고, 상기 제2 전극판은 음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 구조의 바이셀(bi-cell)인 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전극판은, 양극판/분리막/음극판 구조의 바이셀(bi-cell)이고, 상기 제2 전극판은, 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 구조의 바이셀인 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치.
제 1항에 있어서,
상기 셀 스택은,
각각의 외면을 형성하는 최상층 및 최하층에는 음극판이 위치하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 장치.
A) 분리막이 지그재그 형태로 접혀 전극 삽입공간이 형성되는 단계;
B) 복수 개의 제1 전극판 및 복수 개의 제2 전극판이 일시에 상기 전극 삽입공간에 삽입되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.
a) 분리막 공급기에 의하여 제1 맨드릴 열 및 제2 맨드릴 열 사이로 분리막이 공급되는 단계;
b) 상기 분리막이 지그재그로 접힌 형태를 형성하도록, 상기 제1 맨드릴 열 및 제2 맨드릴 열이 제2 방향으로 서로 교차 진행되는 단계;
c) 상기 분리막이 지그재그로 접혀 좌우로 각각 형성된 전극 삽입공간으로 제1 전극판 또는 제2 전극판이 삽입되도록, 제1 전극 공급기 및 제2 전극 공급기가 제2 방향 또는 제3 방향으로 진행되는 단계;
d) 상기 제1 전극 공급기 및 제2 전극 공급기가 상기 제1 전극판 또는 상기 제2 전극판으로부터 분리되고, 상기 제1 맨드릴 열 및 제2 맨드릴 열이 제3 방향으로 이동하여 제거되는 단계;
e) 최상측 또는 최하측의 기준 롤러 위치에서 상기 분리막이 절단되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.
제 8항에 있어서,
상기 d) 단계에서,
상기 제1 전극 공급기 및 제2전극 공급기는 제2 방향 또는 제3 방향으로 이동하여 제거되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.
제 7항 또는 제 8항에 있어서,
상기 적층 방법은,
f) 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판 구조로 적층하여 제1 전극판을 형성하는 단계;
g) 음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 구조로 적층하여 제2 전극판을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.
제 10항에 있어서
상기 적층 방법은,
h) 상기 제1 전극판 및 제2 전극판 각각을 열과 압력으로 라미네이션(Lamination) 하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.
제 7항 또는 제 8항에 있어서,
상기 적층 방법은,
i) 양극판/분리막/음극판 구조로 적층하여 제1 전극판을 형성하는 단계;
j) 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판/분리막/음극판 구조로 적층하여 제2 전극판을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.
제 12항에 있어서,
상기 적층 방법은,
k) 상기 제1 전극판 및 제2 전극판 각각을 열과 압력으로 라미네이션(Lamination) 하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.
제 8항에 있어서,
상기 e) 단계 이후에
l) 상기 a) 내지 e) 단계를 통해 완성된 셀 스택 적층체를 제1 방향으로 압착하는 공정 또는 가열하는 공정을 포함하는 후처리 공정이 수행되는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.
제 14항에 있어서,
상기 l) 단계 이후에
m) 상기 분리막의 절곡부 양단을 커팅(cutting) 하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 다중 삽입 적층 방법.