KR20200145375A - 전극 조립체의 제조 방법 - Google Patents

전극 조립체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 전극 조립체를 적층 테이블상에 연속적으로 순차적으로 적층한 후, 한번에 취출 및 가압하여 완성할 수 있으므로, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 완성하기 위해서 적층 전후로 적층 테이블을 정렬하거나, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 취출, 커팅 및 가압시 발생되는 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있는 전극 조립체의 제조 방법에 관한 것이다.
일예로, 본 발명은 적층 테이블상에, 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재되도록 전극 조립체를 적층하며, 전극 조립체는 복수의 전극 조립체가 연속적으로 순차적으로 적층되며 복수의 전극조립체 사이에는 격판이 개재되도록 적층하는 적층 단계와, 복수의 전극 조립체를 그리퍼를 통해 적층 테이블 상에서 취출하는 취출 단계와, 복수의 전극 조립체를 가압 프레스 상에 배치시킨 후, 복수의 전극 조립체를 적층방향으로 가압하여 밀착시키는 열압착 단계 및, 복수의 전극 조립체들 사이에 각각 개재된 격판을 제거하여 복수의 전극 조립체를 개별 전극 조립체를 분리하는 격판 제거 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법을 개시한다.

Description

전극 조립체의 제조 방법{Manufacturing method of electrode assembly}
본 발명의 다양한 실시예는 전극 조립체의 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장할 수 있는 우수한 에너지 밀도를 제공하는 전력 저장 시스템이다. 재충전이 불가능한 일차 전지에 비해 이차 전지는 재충전이 가능하여 스마트폰, 셀룰러폰, 노트북, 타블렛 PC 등 IT 기기에 많이 사용되고 있다. 최근에는 환경 오염 방지를 위해 전기 자동차에 대한 관심이 높아졌고, 이에 따라 전기 자동차에 고용량의 이차 전지가 채택되고 있다. 이러한 이차 전지는 고밀도, 고출력, 안정성 등의 특성이 요구되고 있다.
이차전지를 구성하는 양극, 세퍼레이터 및 음극 구조의 전극 조립체는 구조에 따라 크게 젤리롤형(권취형) 및 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리롤형 전극조립체는, 밴드형태로 재단된 양극, 세퍼레이터 및 음극을 적층후 나선형으로 감아 제조된다. 또한 스택형 전극조립체는 크게 Z-스택형과, 라미네이션 스택형으로 나뉠 수 있다. Z-스택형 전극조립체는 양극과 음극을 순차적으로 적층할 때, 세퍼레이터를 폴딩하여 양극과 음극사이에 개재시켜 제조된다. 또한 라이네이션 스택형 전극조립체는 양극, 세퍼레이터 및 음극을 미리 접합시킨 모노셀을 순차적으로 적층하여 제조된다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 다수의 전극 조립체를 적층 테이블상에 연속적으로 순차적으로 적층한 후, 한 번에 취출 및 가압하여 완성할 수 있으므로, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 완성하기 위해서 적층 전후로 적층 테이블을 정렬하거나, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 취출, 커팅 및 가압시 발생되는 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있는 전극 조립체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 적층 테이블상에, 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재되도록 전극 조립체를 적층하며, 상기 전극 조립체는 복수의 전극 조립체가 연속적으로 순차적으로 적층되며 복수의 전극조립체 사이에는 격판이 개재되도록 적층하는 적층 단계와, 상기 복수의 전극 조립체를 그리퍼를 통해 적층 테이블 상에서 취출하는 취출 단계와, 상기 복수의 전극 조립체를 가압 프레스 상에 배치시킨 후, 상기 복수의 전극 조립체를 적층방향으로 가압하여 밀착시키는 열압착 단계 및, 상기 복수의 전극 조립체들 사이에 각각 개재된 격판을 제거하여 상기 복수의 전극 조립체를 개별 전극 조립체를 분리하는 격판 제거 단계를 포함할 수 있다.
상기 적층 단계에서는 상부 방향에서 공급되는 상기 세퍼레이터를 폴딩 장치가 좌우로 이동하면서 지그재그 형태로 접을 수 있으며, 상기 세퍼레이터를 중심으로 양측에서 각각 상기 양극판과 상기 음극판이 공급되어 지그재그 형태로 접힌 상기 세퍼레이터의 사이사이에 상기 양극판과 상기 음극판이 교번 삽입된 형태로 적층될 수 있다.
상기 적층 단계에서는 상기 격판은 상기 세퍼레이터를 중심으로 일측에서 타측방향으로 삽입되어 타측 끝단부가 상기 세퍼레이터에 의해 감싸지며 외측 방향으로 돌출될 수 있다.
상기 열압착 단계에서는 상기 복수의 전극 조립체를 상기 전극 조립체의 적층 방향으로 가압한 후, 외측 방향으로 돌출된 상기 격판의 타측 끝단부와 이를 감싸는 상기 세퍼레이터를 커팅 하여, 상기 복수의 전극 조립체를 개별 전극 조립체로 각각 분리할 수 있다.
상기 취출 단계에서는 상기 적층 테이블 상으로 공급되는 상기 세퍼레이터를 커팅하여 상기 복수의 전극 조립체와 분리한 후, 상기 복수의 전극 조립체를 그리퍼를 통해 취출할 수 있다.
상기 격판의 두께는 상기 양극판, 상기 음극판 및 상기 세퍼레이터에 비해서 더 두껍고, 상기 격판의 폭은 상기 양극판 및 상기 음극판에 비해서 더 클 수 있다.
상기 적층 단계에서는 상기 세퍼레이터, 상기 음극판, 상기 세퍼레이터 및 상기 양극판이 순차적으로 적층되어 열압착된 모노 셀이 상기 적층 테이블상에 순차적으로 적층될 수 있다.
상기 격판은 상기 적층 테이블의 상면과 접촉되도록 가장 먼저 적층되고, 상기 복수의 전극 조립체가 연속적으로 모두 적층된 후, 가장 최상층에도 적층될 수 있다.
상기 격판은 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 다수의 전극 조립체를 적층 테이블상에 연속적으로 순차적으로 적층한 후, 한번에 취출 및 가압하여 완성할 수 있으므로, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 완성하기 위해서 적층 전후로 적층 테이블을 정렬하거나, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 취출, 커팅 및 가압시 발생되는 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 전극 조립체의 제조 방법의 각 단계에서 전극 조립체가 제조 장치에 장착된 일예의 단면도이다.
도 3은 도 2a에 도시된 전극 조립체 적층 단계에서 전극 조립체 및 적층 장치를 도시한 사시도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 전극 조립체의 제조 방법의 각 단계에서 전극 조립체가 제조 장치에 장착된 다른예의 단면도이다.
도 5는 도 4a에 도시된 전극 조립체의 적층 단계에서 전극 조립체 및 적층 장치를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용된다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법을 도시한 순서도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 전극 조립체의 제조 방법은 적층 단계(S1), 취출 단계(S2), 열압착 단계(S3) 및 격판 제거 단계(S4)를 포함할 수 있다.
또한 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 도 1에 도시된 전극 조립체의 제조 방법의 각 단계에서 전극조립체가 제조 장치에 장착된 단면도의 일실시예가 도시되어 있다. 이하에서는 도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 전극 조립체의 제조 방법을 설명하고자한다.
우선 도 2a를 참조하면, 적층 단계(S1)에서의 전극 조립체가 적층 장치에 장착된 도시되어 있다. 또한 도 3을 참조하면, 전극 조립체를 적층하기 위한 적층 장치의 일 예가 도시되어 있다.
도 2a 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체 적층 단계(S1)에서는 적층 테이블(11)을 중심으로 좌우로 이격된 개별 테이블(1, 2)에 각각 양극판(110) 및 음극판(120)을 각각 쌓아 두고, 대략 상부 방향에서 공급되는 세퍼레이터(130)를 폴딩 장치(4)가 좌우로 이동하면서 지그재그 형태로 접을 수 있다. 이때 폴딩 되는 세퍼레이터(113)를 중심으로, 양측에서 각각 양극판(110)과 음극판(120)이 적층 테이블(11)의 상부로 순차적으로 공급되어, 지그재그 형태로 접힌 세퍼레이터(130)의 사이사이에 양극판(110)과 음극판(120)이 교번 삽입된 형태로 적층될 수 있다. 예를 들어, 양극판(110)이 세퍼레이터(130)를 중심으로 일측에서 타측방향으로 삽입될 경우, 음극판(120)은 세퍼레이터(130)를 중심으로 타측에서 일측방향으로 삽입될 수 있다.
상기 양극판(110)은 알루미늄과 같은 금속 포일(foil)로 형성된 양극 집전판에 흑연 또는 탄소 등의 양극 활물질을 도포함으로써 형성될 수 있다. 상기 양극판(110)은 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 더 포함할 수 있다. 상기 양극판(110)의 무지부는 양극판과 외부간의 전류 흐름 통로일 수 있으며, 양극판(110) 일측으로 돌출 및 연장될 수 있다. 또한 음극판(120)은 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된 음극 집전판에 전이금속산화물 등의 음극 활물질을 도포함으로써 형성될 수 있다. 상기 음극판(120)은 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 더 포함할 수 있다. 상기 음극판(120)의 무지부는 음극판과 외부간의 전류 흐름 통로일 수 있으며, 음극판(120) 일측으로 돌출 및 연장될 수 있다. 상기 세퍼레이터(130)는 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 위치되어 전기적 쇼트를 방지하고 전이 금속 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌이나, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 양극판(110), 음극판(120) 및 세퍼레이터(130)로 이루어진 적층체는 적층 테이블(11)상에 적층될 수 있다. 상기 적층 테이블(11)은 폴딩 장치(4)에 의해 세퍼레이터(130)가 폴딩 되는 위치가 동일 높이로 조절될 수 있도록, 그 높이가 조절될 수 있다. 예를 들어, 적층 테이블(11)은 전극 조립체의 적층이 진행될수록 하부로 이동되어, 폴딩 장치(4)에 의해 세퍼레이터(130)가 폴딩 되는 위치를 동일 높이로 조절할 수 있다.
또한, 양극판(110) 또는 음극판(120)이 쌓여 있는 테이블(1,2)중 어느 하나의 외측에는 격판 테이블(3)이 더 구비되며, 격판 테이블(3) 상에는 판 형상의 격판(140)을 쌓아둘 수 있다. 상기 격판(140)은 두 개 이상의 전극 조립체(100A,100B,100C)를 하나의 적층 테이블(11)상에서, 연속적으로 적층할 경우 두 개 이상의 전극 조립체(100A,100B,100C)들의 경계를 구분하기 위해 세퍼레이터(130)사이에 개재될 수 있다. 이하에서는 적층 테이블(11)상에 연속적으로 적층된 3개의 전극 조립체(100A,100B,100C)에서, 격판(140)의 적층에 대해서 설명하고자 한다.
상기 격판 테이블(3)은 양극판(110)이 쌓여 있는 양극 테이블(1)의 외측에 위치할 수 있다. 물론, 격판 테이블(3)은 음극판(120)이 쌓여 있는 음극 테이블(2)의 외측에 위치할 수 있으나, 이하에서는 격판 테이블(3)이 양극 테이블(1)의 외측에 위치할 경우를 설명하고자 한다. 여기서 외측은 적층 테이블(11)을 중심으로 양극 테이블(1) 또는 음극 테이블(2)의 바깥쪽에 위치함을 의미한다.
상기 격판(140)은 적층 테이블(11)상에 순차적으로 적층된 제1전극 조립체(100A)와 제2전극 조립체(100B)사이, 제2전극 조립체(100B)와 제3전극 조립체(100C)사이에 개재될 수 있다. 즉, 상기 격판(140)은 하나의 전극 조립체의 적층이 끝난 지점과, 새로운 전극 조립체가 적층된 지점을 구분하기 위해 적층될 수 있다. 상기 격판(140) 역시, 폴딩 되는 세퍼레이터(130)의 사이에 개재될 수 있다. 추가적으로 격판(140)을 중심으로 상면 및 하면에는 양극판(110)이 접촉된 상태로, 함께 적층될 수 도 있다. 또한 추가적으로 격판(140)은 적층 테이블(11)상에, 제1전극 조립체(100A)가 적층되기 시작하는 시점인 적층 테이블(11)의 상면과 접촉되도록 가장 먼저 적층될 수 도 있다. 또한 추가적으로 격판(140)은 적층 테이블(11)상에 전극 조립체가 모두 적층된 후인 제3전극 조립체(100C)가 적층 완료된 가장 마지막인 최상층에도 적층될 수도 있다.
좀 더 자세하게, 각각의 전극 조립체(100A,100B,100C)가 27개의 전극판(양극판 및 음극판)이 순차적으로 적층되어 형성될 경우, 격판(140)은 각각의 전극 조립체(100A,100B,100C)에서 첫 번째 양극판(110)과 함께 적층되고, 27번째 양극판(110)과 함께 적층될 수 있다. 제1격판(141)은 제1전극 조립체(100A)의 양극판(110)과 함께 적층 테이블(11)상에 적층된 후, 세퍼레이터(130)가 제1전극 조립체(100A)의 양극판(110)의 상면에 접촉된 상태로 지그재그 형태로 폴딩되며 적층될 수 있다. 또한 제2격판(142)은 제1전극 조립체(100A)의 27번째 양극판과, 제2전극 조립체(100B)의 첫 번째 양극판과 함께 세퍼레이터(130) 사이에 개재된 상태로 적층될 수 있다. 또한 제3격판(143)은 제2전극 조립체(100B)의 27번째 양극판과, 제3전극 조립체(100C)의 첫 번째 양극판과 함께 세퍼레이터(130) 사이에 개재된 상태로 적층될 수 있다. 또한 제4격판(144)은 27번째 양극판과 함께 세퍼레이터(130)의 최상층 상에 적층될 수 있다. 이때 격판(140)은 양극판(110)과 함께 세퍼레이터(130)를 중심으로 일측에서 타측방향으로 삽입될 수 있다.
상기 격판(140)은 알루미늄(Al)로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 또한 격판(140)은 그 두께가 양극판(110) 및 음극판(120)에 비해서 더 두꺼울 수 있다. 보다 바람직하게 격판(140)은 2mm 내지 4mm중 어느 하나 일 수 있다.
또한 격판(140)은 세퍼레이터(130)의 길이 방향(x)의 폭이 양극판(110) 및 음극판(120)에 비해서 더 클 수 있다. 상기 격판(140)의 폭은 양극판(110)의 폭에 비해서 1.2 내지 1.4배 더 클 수 있다. 즉, 격판(140)은 양극판(110) 및 음극판(120)에 비해서, 세퍼레이터(130)의 길이 방향(x) 양측으로 돌출될 수 있다. 이때, 격판(140)은 일측으로 돌출된 부분은 외부로 노출되고, 타측으로 돌출된 부분은 세퍼레이터(130)에 의해서 감싸진 구조를 가질 수 있다. 이는 격판(140)이 세퍼레이터(130)의 일측에서 타측 방향으로 삽입되어, 타측 끝단부가 세퍼레이터(130)에 의해서 감싸질 수 있다.
여기서 격판(140)의 폭이 양극판(110)의 폭에 비해서 1.2배 보다 더 작을 경우, 연속적으로 적층된 전극 조립체(100)에서, 두 개의 전극 조립체(100)사이의 세퍼레이터(130)의 절단이 용이하지 않을 수 있으며 1.4배보다 더 클 경우 격판(140)을 감싸도록 폴딩된 세퍼레이터(130)의 불필요한 손실이 발생될 수 있다.
이와 같은 격판(140)의 두께 및 폭은 복수의 전극 조립체(100A,100B,100C)들이 연속적으로 적층한 후, 연속적인 세퍼레이터(130)를 절단하여 복수의 전극 조립체(100A,100B,100C)들 사이를 분리하기 용이하도록 그 크기가 양극판(110) 및 음극판(120)에 비해서 더 클 수 있다.
도 2b를 참조하면, 취출 단계(S2)에서 전극 조립체(100)가 취출 장치인 그리퍼(12)에 장착된 일예가 도시되어 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 취출 단계(S2)에서는, 순차 및 연속적으로 적층된 2개 이상의 전극 조립체(100A,100B,100C)를 그리퍼(gripper)를 이용하여 적층 테이블(11)로부터 취출한다. 상기 그리퍼(12)는 제1격판(141)과 제4격판(144)사이를 집어 고정하여, 적층 테이블(11)로부터 취출할 수 있다. 이때, 상기 그리퍼(12)에 의해서, 전극 조립체(100A,100B,100C)를 취출하기 전에, 세퍼레이터(130)는 커팅되어, 폴딩 장치(4)와 전극 조립체(100A,100B,100C)사이를 분리시킬 수 있다.
상기 그리퍼(12)에 고정된 제1격판(141)과 제4격판(144) 사이에는 하부 방향에서 상부방향으로 순차적으로 제1전극 조립체(100A), 2격판(140),제2전극 조립체(100B),3격판(140) 및 제3전극 조립체(100C)가 개재될 수 있다. 상기 그리퍼(12)는 확장 및 수축이 가능하여, 복수의 전극 조립체(100)를 고정 또는 분리시킬 수 있다. 이와같은 복수의 전극 조립체(100)의 최외면에서는 제1격판(141)과 제4격판(144)이 위치하므로, 복수의 전극 조립체(100)를 투입 또는 취출하기 위해 그리퍼(12)를 적용할 때, 전극 조립체(100)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 그리퍼(12)는 적층 테이블(11)로부터 취출한 전극 조립체(100A,100B,100C)를 가압 프레스(13)상으로 투입시킬 수 있다.
도 2c를 참조하면, 열압착 단계(S3)에서 전극 조립체(100)가 가압 프레스(13)에 장착된 일예가 도시되어 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 복수의 전극 조립체(100)를 가압 프레스(13) 상에 배치시킨 후, 가압 프레스(13)를 통해 제1격판(141)과 제4격판(144)사이에 개재된 복수의 전극 조립체(100)를 최상단과 최하단 사이에 동시에 가압하여, 양극판(110)과 세퍼레이터(130) 사이, 음극판(120)과 세퍼레이터(130)사이를 밀착시킬 수 있다. 즉, 복수의 전극 조립체(100)는 가압 프레스(13) 상에서 적층 방향으로 가압될 수 있다.이와같이 가압 프레스(13)에 의해, 전극 조립체(100)를 가압할 경우, 전극판(110, 120)과 세퍼레이터(130) 사이가 접착력이 증가되어, 전극 조립체(100)의 성능을 향상시킬 수 있으며 변형을 방지할 수 있다. 이와같이 가압 프레스(13)에 의해서 전극 조립체(100)가 가압한 후, 타측 방향으로 돌출된 세퍼레이터(130)와, 격판(140)을 절단할 수 있다.
적층된 복수의 전극 조립체(100) 중에서, 타측방향으로 돌출된 격판(140)을 커팅장치에 의해서 절단할 수 있다. 이때, 격판(140)의 타측 끝단부를 감싼 세퍼레이터(130)를 함께 절단되어, 연속적으로 적층된 복수의 전극 조립체(100)를 개별 전극 조립체(100A,100B,100C)로 분리할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 격판 제거 단계(S4)에서 개별 전극 조립체(100A,100B,100C)사이에 각각 개재된 제2격판(142) 및 제3격판(143)을 제거하여, 제1전극 조립체(100A), 제2전극 조립체(100B) 및 제3전극 조립체(100C)를 각각 분리할 수 있다. 상기 격판 제거 단계(S4)에서는 도 2c에 도시된 가압 프레스(13)상에서, 격판(140)의 타측 끝단부를 세퍼레이터(130)와 함께 커팅한 후, 가압 프레스(13)상에 적층되어 있던 제4격판(144), 제3전극 조립체(100C), 제3격판(143), 제2전극 조립체(100B), 제2격판(142), 제1전극 조립체(100A) 및 제1격판(141)을 순차적으로 분리하여, 3개의 개별 전극 조립체(100A,100B,100C)를 동시에 완성할 수 있다.
이와같은 전극 조립체(100) 제조 방법은 다수의 전극 조립체(100)를 적층 테이블(11)상에 연속적으로 순차적으로 적층한 후, 한번에 취출 및 가압하여 완성할 수 있으므로, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 완성하기 위해서 적층 전후로 적층 테이블(11)을 정렬하거나, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 취출, 커팅 및 가압시 발생되는 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 도 1에 도시된 전극 조립체의 제조 방법의 각 단계에서 전극 조립체가 제조 장치에 장착된 다른예의 단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 1 및 도 4a 내지 도 4d를 참조하여, 전극 조립체의 제조 방법을 설명하고자한다.
우선 도 4a를 참조하면, 적층 단계(S1)에서의 전극 조립체가 적층 장치에 장착된 도시되어 있다. 또한 도 5를 참조하면, 도 4a에 도시된 전극 조립체를 적층하기 위한 적층 장치의 일예가 도시되어 있다.
도 4a 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체 적층 단계(S1)에서는 적층 테이블(11)을 중심으로 적어도 일측에 이격된 개별 테이블(1)에 모노 셀(210)이 쌓아두고, 적층 테이블(11)상에 모노 셀(210)을 순차적으로 적층할 수 있다. 상기 개별 테이블(1)은 하나로 도시하였으나, 적층 테이블(11)을 중심으로 양측에 위치할 수도 있으며 본 발명에서 개별 테이블(1)의 개수를 한 개로 한정하는 것은 아니다. 여기서 모노 셀(210)은 롤 형태로 공급되는 양극판(211), 세퍼레이터(213), 음극판(212) 및 세퍼레이터(213)가 순차적으로 적층된 형태로, 열압착기에 공급되어 열압착됨으로써 형성될 수 있다. 또한 모노 셀(210)을 열압착된 후, 커팅되어 형성될 수 있다. 즉, 모노 셀(210)은 세퍼레이터(213), 음극판(212), 세퍼레이터(213) 및 양극판(211)이 하부에서 상부방향으로 순차적으로 적층된 상태로 열압착된 개별 셀일 수 있다.
상기 양극판(211)은 알루미늄과 같은 금속 포일(foil)로 형성된 양극 집전판에 흑연 또는 탄소 등의 양극 활물질을 도포함으로써 형성될 수 있다. 상기 양극판(211)은 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 더 포함할 수 있다. 상기 양극판(211)의 무지부는 양극판과 외부간의 전류 흐름 통로일 수 있으며, 양극판(211) 일측으로 돌출 및 연장될 수 있다. 또한 음극판(212)은 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된 음극 집전판에 전이금속산화물 등의 음극 활물질을 도포함으로써 형성될 수 있다. 상기 음극판(212)은 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 더 포함할 수 있다. 상기 음극판(212)의 무지부는 음극판과 외부간의 전류 흐름 통로일 수 있으며, 음극판(212) 일측으로 돌출 및 연장될 수 있다. 상기 세퍼레이터(213)는 양극판(211)과 음극판(212) 사이에 위치되어 전기적 쇼트를 방지하고 전이 금속 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌이나, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다.
상기 적층 테이블(11)은 상하 방향으로 이동 가능하며, 모노 셀(210)이 적층되는 적층 높이를 질정 높이로 조절할 수 있다. 예를 들어, 적층 테이블(11)은 전극 조립체의 적층이 진행될수록 하부로 이동될 수 있다.
상기 격판 테이블(3) 상에는 판 형상의 격판(240)을 쌓아둘 수 있다. 상기 격판(240)은 두 개 이상의 전극 조립체(200A,200B,200C)를 하나의 적층 테이블(11)상에서, 연속적으로 적층할 경우 두 개 이상의 전극 조립체(200A,200B,200C)들의 경계를 구분하기 위해 적층될 수 있다. 이하에서는 적층 테이블(11)상에 연속적으로 적층된 3개의 전극 조립체(200A,200B,200C)에서, 격판(240)의 적층에 대해서 설명하고자 한다.
상기 격판 테이블(3)은 적층 테이블(11)을 중심으로, 모노 셀(210)이 쌓여 있는 개별 테이블(1)의 반대측에 위치할 수 있다. 물론, 격판 테이블(3)은 개별 테이블(1)이 적층 테이블(11)을 중심으로 양측에 배치될 경우, 개별 테이블(1)의 외측에 위치할 수도 있으며, 격판 테이블(3)이 배치되는 위치를 한정하는 것은 아니다.
상기 격판(240)은 적층 테이블(11)상에 순차적으로 적층된 제1전극 조립체(200A)와 제2전극 조립체(200B)사이, 제2전극 조립체(200B)와 제3전극 조립체(200C)사이에 각각 개재될 수 있다. 즉, 상기 격판(240)은 하나의 전극 조립체의 적층이 끝난 지점과, 새로운 전극 조립체가 적층된 지점을 구분하기 위해 적층될 수 있다. 또한 추가적으로 격판(240)은 적층 테이블(11)상에, 제1전극 조립체(200A)가 적층되기 시작하는 시점인 적층 테이블(11)의 상면과 접촉되도록 가장 먼저 적층될 수 도 있다. 또한 추가적으로 격판(240)은 적층 테이블(11)상에 전극 조립체가 모두 적층된 후인 제3전극 조립체(200C)가 적층 완료된 가장 마지막인 최상층에도 적층될 수도 있다.
좀더 자세하게, 각각의 전극 조립체(200A,200B,200C)가 10개의 모노 셀(210) 순차적으로 적층되어 형성될 경우, 격판(240)은 각각의 전극 조립체(200A,200B,200C)에서 첫 번째 모노 셀(210)이 적층되기 전에 적층되고, 10번째 모노 셀(210)이 적층된 후에 적층될 수 있다. 즉, 적층 테이블(11)의 상부에는 제1격판(241), 제1전극 조립체(200A), 제2격판(242), 제2전극 조립체(200B), 제3격판(243), 제3전극 조립체(200C) 및 제4격판(244)이 순차적으로 적층될 수 있다.
상기 격판(240)은 알루미늄(Al)로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 또한 격판(240)은 그 두께가 양극판(211), 음극판(212) 및 세퍼레이터(213)에 비해서 더 두꺼울 수 있다. 보다 바람직하게 격판(240)은 그 두께가 2mm 내지 4mm중 어느 하나 일 수 있다. 또한 격판(240)은 폭방향(x)의 크기가 양극판(211), 음극판(212) 및 세퍼레이터(213)에 비해서 더 클 수 있다. 즉, 격판(240)은 양극판(211),음극판(212) 및 세퍼레이터(213)에 비해서, 그 두께 및 폭방향(x)으로의 크기가 더 클 수 있다.
이와 같은 격판(240)의 두께 및 폭을 양극판(211), 음극판(212) 및 세퍼레이터(213)에 비해서 더 크게 형성하여, 복수의 전극 조립체(200A,200B,200C)들을 하나의 적층 테이블(11)상에 연속적으로 적층한 후, 가압하고 개별 전극 조립체로 분리할 때 격판과 개별 전극 조립체 사이의 분리가 용이하게 하기 위함이다.
도 2b를 참조하면, 취출 단계(S2)에서 전극 조립체(200)가 취출 장치인 그리퍼(12)에 장착된 일예가 도시되어 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 취출 단계(S2)에서는, 순차 및 연속적으로 적층된 2개 이상의 전극 조립체(200A,200B,200C)를 그리퍼(gripper)를 이용하여 적층 테이블(11)로부터 취출한다. 상기 그리퍼(12)는 제1격판(241)과 제4격판(244)사이를 집어 고정하여, 적층 테이블(11)로부터 취출할 수 있다.
상기 그리퍼(12)에 고정된 제1격판(241)과 제4격판(244) 사이에는 하부 방향에서 상부방향으로 순차적으로 제1전극 조립체(200A), 2격판(240),제2전극 조립체(200B),3격판(240) 및 제3전극 조립체(200C)가 개재될 수 있다. 상기 그리퍼(12)는 확장 및 수축이 가능하여, 복수의 전극 조립체(200)를 고정 또는 분리시킬 수 있다. 이와같은 복수의 전극 조립체(200)의 최외면에서는 제1격판(241)과 제4격판(244)이 위치하므로, 복수의 전극 조립체(200)를 투입 또는 취출하기 위해 그리퍼(12)를 적용할 때, 전극 조립체(200)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 그리퍼(12)는 적층 테이블(11)로부터 취출한 전극 조립체(200A,200B,200C)를 가압 프레스(13)상으로 투입시킬 수 있다.
도 2c를 참조하면, 열압착 단계(S3)에서 전극 조립체(200)가 가압 프레스(23)에 장착된 일예가 도시되어 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 복수의 전극 조립체(200)를 가압 프레스(13) 상에 배치시킨 후, 가압 프레스(13)를 통해 제1격판(241)과 제4격판(244)사이에 개재된 복수의 전극 조립체(200)를 최상단과 최하단 사이에 동시에 가압하여, 복수의 모노 셀(210)들 사이를 밀착시킬 수 있다. 즉, 복수의 전극 조립체(200)는 가압 프레스(13) 상에서 적층 방향으로 가압될 수 있다. 이와같이 가압 프레스(23)에 의해, 전극 조립체(200)를 가압할 경우, 모노 셀(210)사이의 접착력이 증가되어 전극 조립체(200)의 성능을 향상시킬 수 있으며 변형을 방지할 수 있다. 이와같이 가압 프레스(13)에 의해서 전극 조립체(200)가 가압한 후, 격판(240)을 분리할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 격판 제거 단계(S4)에서 개별 전극 조립체(200A,200B,200C)사이에 각각 개재된 제2격판(242) 및 제3격판(243)을 제거하여, 제1전극 조립체(200A), 제2전극 조립체(200B) 및 제3전극 조립체(200C)를 각각 분리할 수 있다. 상기 격판 제거 단계(S4)에서는 도 2c에 도시된 가압 프레스(23)상에 적층되어 있던 제4격판(244), 제3전극 조립체(200C), 제3격판(243), 제2전극 조립체(200B), 제2격판(242), 제1전극 조립체(200A) 및 제1격판(241)을 순차적으로 분리하여, 3개의 개별 전극 조립체(200A,200B,200C)를 동시에 완성할 수 있다.
이와같은 전극 조립체(200) 제조 방법은 다수의 전극 조립체(200)를 적층 테이블(11)상에 연속적으로 순차적으로 적층한 후, 한번에 취출 및 가압하여 완성할 수 있으므로, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 완성하기 위해서 적층 전후로 적층 테이블(11)을 정렬하거나, 하나의 전극 조립체를 개별적으로 취출, 커팅 및 가압시 발생되는 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 전극 조립체의 제조 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100, 200: 전극 조립체 11: 적층 테이블
12: 그리퍼 13: 가압 프레스

Claims (9)

  1. 적층 테이블상에, 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재되도록 전극 조립체를 적층하며, 상기 전극 조립체는 복수의 전극 조립체가 연속적으로 순차적으로 적층되며 복수의 전극조립체 사이에는 격판이 개재되도록 적층하는 적층 단계;
    상기 복수의 전극 조립체를 그리퍼를 통해 적층 테이블 상에서 취출하는 취출 단계;
    상기 복수의 전극 조립체를 가압 프레스 상에 배치시킨 후, 상기 복수의 전극 조립체를 적층방향으로 가압하여 밀착시키는 열압착 단계; 및
    상기 복수의 전극 조립체들 사이에 각각 개재된 격판을 제거하여 상기 복수의 전극 조립체를 개별 전극 조립체를 분리하는 격판 제거 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층 단계에서는
    상부 방향에서 공급되는 상기 세퍼레이터를 폴딩 장치가 좌우로 이동하면서 지그재그 형태로 접을 수 있으며, 상기 세퍼레이터를 중심으로 양측에서 각각 상기 양극판과 상기 음극판이 공급되어 지그재그 형태로 접힌 상기 세퍼레이터의 사이사이에 상기 양극판과 상기 음극판이 교번 삽입된 형태로 적층된 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적층 단계에서는
    상기 격판은 상기 세퍼레이터를 중심으로 일측에서 타측방향으로 삽입되어 타측 끝단부가 상기 세퍼레이터에 의해 감싸지며 외측 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열압착 단계에서는
    상기 복수의 전극 조립체를 상기 전극 조립체의 적층 방향으로 가압한 후,
    외측 방향으로 돌출된 상기 격판의 타측 끝단부와 이를 감싸는 상기 세퍼레이터를 커팅하여, 상기 복수의 전극 조립체를 개별 전극 조립체로 각각 분리하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 취출 단계에서는
    상기 적층 테이블 상으로 공급되는 상기 세퍼레이터를 커팅하여 상기 복수의 전극 조립체와 분리한 후, 상기 복수의 전극 조립체를 그리퍼를 통해 취출하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 격판의 두께는 상기 양극판, 상기 음극판 및 상기 세퍼레이터에 비해서 더 두껍고, 상기 격판의 폭은 상기 양극판 및 상기 음극판에 비해서 더 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층 단계에서는
    상기 세퍼레이터, 상기 음극판, 상기 세퍼레이터 및 상기 양극판이 순차적으로 적층되어 열압착된 모노 셀이 상기 적층 테이블상에 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층 단계에서는
    상기 격판은 상기 적층 테이블의 상면과 접촉되도록 가장 먼저 적층되고, 상기 복수의 전극 조립체가 연속적으로 모두 적층된 후, 가장 최상층에도 적층된 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 격판은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
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WO2023282720A1 (en) * 2021-07-09 2023-01-12 Lg Energy Solution, Ltd. Electrode assembly

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