WO2012008742A2 - 전극조립체의 폴딩 장치 - Google Patents

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황성민
조지훈
한창민
송기훈
박상혁
이한성
김병근
정태윤
손정삼
정수택
백현숙
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Definitions

  • the present invention is a folding device for manufacturing a stack / folding electrode assembly in which the unit cells are sequentially stacked with the separation film interposed, the plate-shaped unit cells are arranged on the upper surface of the separation membrane at a predetermined interval (web) Web supply unit for supplying; A winding jig which catches the first unit cell of the web and rotates the unit cells sequentially stacked with a separation film interposed therebetween; And a rotation axis correction unit configured to correct a rotation axis of the winding jig in a web traveling direction (X-axis direction), wherein the rotation axis correction unit is configured to wind the plate-shaped unit cell so that the tensile force of the web can be maintained constant.
  • a folding apparatus characterized in that the position of the rotation axis is periodically changed to a size that compensates for the change in the X-axis speed (Vx) of the generated web.
  • the electrode assembly of the anode / separation membrane / cathode structure constituting the secondary battery is largely divided into a jelly-roll type (wound type) and a stack type (lamination type) according to its structure.
  • the jelly-roll type electrode assembly is coated with an electrode active material or the like on a metal foil used as a current collector, dried and pressed, cut into bands of a desired width and length, and the membrane is separated using a separator to form a spiral. It is manufactured by winding.
  • the jelly-roll type electrode assembly is suitable for cylindrical batteries, but has disadvantages such as peeling problems of electrode active materials and low space utilization when applied to rectangular or pouch type batteries.
  • the stacked electrode assembly has a structure in which a plurality of positive and negative electrode units are sequentially stacked, and it is easy to obtain a rectangular shape, but when the manufacturing process is complicated and an impact is applied, the electrode is pushed to cause a short circuit. There is a disadvantage.
  • the electrode assembly of the advanced structure of the jelly-roll type and the stacked form, a full cell or anode (cathode) / separator / cathode of a certain unit size of the anode / separator / cathode structure An electrode assembly having a structure in which a bicell of (anode) / membrane / anode (cathode) structure is folded using a continuous membrane film having a long length has been developed, which is the applicant's Korean Patent Application Publication No. 2001-82058 No. 2001-82059, 2001-82060, and the like. In the present application, the electrode assembly having such a structure is referred to as a stack / foldable electrode assembly.
  • the secondary battery having a structure in which the stack type or the stack / fold type electrode assembly as described above is built in the battery case may have various forms, and a representative example thereof is a lithium ion polymer battery (LiPB) using a pouch type case of an aluminum laminate sheet. to be.
  • LiPB lithium ion polymer battery
  • a lithium ion polymer battery (LiPB) is a structure in which an electrolyte solution is impregnated into an electrode assembly in which electrodes (anode and cathode) and a separator are heat-sealed, and a stack type or stack / fold type electrode assembly is sealed in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. It is used a lot as a form. Thus, lithium ion polymer batteries are often referred to as pouch cells.
  • the apparatus is a roller web feeder for supplying a web (web) 200 in which the plate-shaped unit cells (100, 101, 102 ...) are arranged at a predetermined interval on the upper surface of the separation film
  • a 400 and comprises a winding jig 300 for holding the first unit cell of the web to rotate so that the unit cells are sequentially stacked with the separation film interposed therebetween. As the winding jig 300 rotates, unit cells 100, 101, 102... Are sequentially stacked.
  • c may be expressed as follows according to the winding jig and the angle change ⁇ of the X axis.
  • FIG. 3 discloses a graph of the change amount of the c value with respect to the angle ⁇ and the change amount of the length ('linear change amount') of the web, which is a linear case.
  • the graph since the angle ⁇ rotates at a constant speed, the graph is the same as the time-displacement graph because the angular velocity is constant. Therefore, the linear variation represents a constant speed in a straight line with a constant slope.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • Vx X-axis velocity
  • the present invention is a folding device for manufacturing a stack / folding type electrode assembly in which the unit cells are sequentially stacked with the separation film interposed therebetween,
  • a web supply unit for supplying a web on which plate-shaped unit cells are arranged at predetermined intervals on an upper surface of the separation film
  • a winding jig which catches the first unit cell of the web and rotates the unit cells sequentially stacked with a separation film interposed therebetween;
  • a rotation axis correction unit configured to correct the rotation axis of the winding jig in the advancing direction of the web (X-axis direction);
  • the rotating shaft correcting unit provides a folding device that periodically changes the position of the rotating shaft to a size that compensates for the change in the X-axis speed (Vx) of the web generated when the plate-shaped unit cell is wound so that the tensile force of the web can be kept constant.
  • Vx represents the speed at the web feed.
  • the X-axis speed at the web feed must be constant so that the tension between the web feed and the winding jig can be kept constant.
  • the correction amount described with reference to FIGS. 2 and 3 may appear as a function having a period of 180 ° at first glance, there is a differential point in which the gradient value is different at the actual 180 ° point.
  • the derivative is the speed
  • the speed is instantaneous change occurs, which is the point where the acceleration suddenly changes as shown in Figure 4, which means that the impact amount is excessive.
  • the unit cell is preferably a full cell or a bicell.
  • the full cell as the unit cell is a cell having a unit structure of anode / separation membrane / cathode, and is a cell in which anode and cathode are located on both sides of the cell, respectively.
  • Such a full cell may include an anode / separator / cathode cell and an anode / separator / cathode / separator / anode / separator / cathode having the most basic structure.
  • the bicell as a unit cell is a cell in which the same electrodes are located on both sides of the cell, such as the unit structure of the anode / separator / cathode / separator / anode and the unit structure of the cathode / separator / anode / separator / cathode.
  • a cell having an anode / separation membrane / cathode / separation membrane / anode structure is referred to as a “type C bicell”
  • a cell having a cathode / separation membrane / anode / separation membrane / cathode structure is referred to as a “type A bicell”. That is, a cell where the anodes are located at both sides is called a C-type bicell, and a cell where the cathodes are located at both sides is called an A-type bicell.
  • Such bicells are not particularly limited in number if the electrodes on both sides of the cell have the same structure.
  • the full cell and the bicell are manufactured by mutually bonding the positive electrode and the negative electrode with a separator therebetween.
  • Preferred examples of such a bonding method include a heat fusion method.
  • a positive electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder onto a positive electrode current collector, followed by drying and pressing, and optionally adding a filler to the mixture.
  • the positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like may be used.
  • the current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive material to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode is prepared by coating, drying and pressing the negative electrode active material on the negative electrode current collector, and optionally, the conductive material, binder, filler, etc. may be further included as necessary.
  • the negative electrode current collector is generally made of a thickness of 3 ⁇ 500 ⁇ m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the negative electrode active material may be, for example, carbon such as hardly graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and metal oxides such as Bi 2 O 5
  • the separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ⁇ m ⁇ m, thickness is generally 5 ⁇ 300 ⁇ m.
  • a separator for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the separator film used in the present invention may or may not be the same material as the separator.
  • the unit cells are located at a distance spaced apart from each other by the first unit cell and the second unit cell at intervals corresponding to the at least one unit cell, and the unit cells after the second unit cell are arranged in an arrangement in which each interval increases. It is preferable to arrange on a separation film.
  • the spacing between the first unit cell and the second unit cell is essential by allowing the outer surface of the first unit cell to face the electrodes of other unit cells in a state where the outer surface of the first unit cell is completely coated with a separation film during one winding in the winding process. This is to prevent a short circuit or the like that may occur when the electrodes are in contact with each other.
  • the electrodes on the stacked surface must face different electrodes.
  • a plurality of full cells should be stacked such that the positive electrode and the negative electrode face each other in a state where the separator film is interposed therebetween, and the secondary cell is included using the bicell.
  • a plurality of C-type and A-type bicells should be stacked such that the positive electrode and the negative electrode face each other with the separator film interposed therebetween.
  • the first full cell 110 and the second full cell 111 have the same electrode facing up, and after the second full cell, the other electrode is sequentially arranged upward. It is preferable to arrange on a separation film. For example, when the first full cell 110 has the "+” electrode facing up, the second full cell 111 has the "+” electrode facing up, and the third full cell 112 has the "-" electrode facing up. Will be. Thereafter, the "+" and "-" electrodes may be sequentially arranged.
  • the first bi-cell 120 and the second bi-cell 121 are different kinds of cells, and the cells after the second bi-cell are of the same type.
  • the cells are arranged on the separation film in a form of two paired pairs.
  • the first bicell 120 is a C-type bicell
  • the second and third bicells 121 and 122 are A-type bicells
  • the fourth and fifth bicells 123 and 124 are C-type bicells. It is a bicell, and then cells of the same type may be sequentially arranged two by one.
  • the winding jig is not particularly limited as long as it can wind the web, but is preferably a jig in a form of holding and fixing the web at the upper end of the unit cell and the lower end of the separation film corresponding to the unit cell.
  • the jig may be stacked with the separation film interposed between the unit cells by simultaneously holding and winding the unit cell and the separation film.
  • the amount of correction of the rotational axis with respect to the angle [theta] is changed in a period of a sin function.
  • the most similar form is the sin function period.
  • the displacement value of the sine function is changed according to the variables a, b and c in calculating the correction amount of the folding device, and it is preferable to find and use a sine function similar to the calculated correction amount and the displacement value.
  • the rotational speed of the winding jig is preferably 20 to 200 (rpm).
  • the rotation axis correction unit of the winding jig can be used as long as it can be corrected by a periodic function, but it is preferable that the rotation axis correction unit is made of a variable rotation structure interconnected so as not to deviate even if the winding speed is increased.
  • a variable rotating structure may be composed of an eccentric roller and a variable crank for converting a rotary motion into a linear reciprocating motion in the left and right directions.
  • the present invention also provides a stack-folding electrode assembly manufactured using the apparatus described above, and provides a lithium secondary battery composed of the electrode assembly and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution consists of an electrolyte solution and a lithium salt, and a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used as the electrolyte solution.
  • non-aqueous organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymerizers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
  • the lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added. .
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) may be further included. carbonate), PRS (propene sultone) and the like may be further included.
  • the secondary battery according to the present invention may not only be used in a battery cell used as a power source for a small device, but also preferably used as a unit battery in a medium and large battery module including a plurality of battery cells used as a power source for a medium and large device. .
  • Preferred examples of the medium-to-large device include a power tool driven by an electric motor; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; Electric motorcycles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts, and the like, but are not limited thereto.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like
  • Electric motorcycles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts, and the like, but are not limited thereto.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a folding device for the manufacture of a stack / foldable electrode assembly
  • FIG. 2 is a structural diagram for calculating the change in the length of the web due to the rotational movement of the winding jig;
  • 3 is a graph of the change in the length of the web during the rotational movement, the change in the length of the web in the case of linearity, and the rotation angle ⁇ of the correction amount;
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing one arrangement form when a unit cell is a full cell
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing one arrangement form when a unit cell is a bicell
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a folding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 shows a graph of the rotation angle ⁇ of the correction amount, speed, acceleration, and impact amount when correcting with a periodic function (7.25 sin function) according to one embodiment of the present invention.
  • the variation in the length of the web as compared with the linear variation in which the length of the web is constantly increased with the rotation angle, causes a deviation as in FIG. 3. Therefore, a method of eliminating such deviation by correction in the X-axis direction can be considered, but as shown in Fig. 4, in the relationship between the correction amount, the speed, the acceleration, and the impact amount with respect to the rotation angle ⁇ , the derivative is near 180 degrees. This impossible point arises, and as a result, the acceleration changes abruptly and an excessive amount of impact is generated.
  • the correction amount graph calculated in FIG. 3 is similar to a sine function graph which is a periodic function. Therefore, if the sin function graph similar to the calculated correction amount graph of the device is properly selected and corrected, as shown in Fig. 5, derivatives are possible at all positions of the correction amount graph, and both the velocity and acceleration graphs are continuous. . In addition, since the impact amount does not deviate from a certain range, it is not necessary to compensate the torque due to the excessive impact amount.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an arrangement form when a unit cell is a full cell according to one embodiment of the present invention.
  • full cells 110, 111, 112, 113, and 114 in which anodes / separators / cathodes are sequentially disposed as unit cells are disposed on the separation film 200, and the first full cell 110 is provided.
  • the stack / foldable electrode assembly can be prepared by winding sequentially starting from.
  • the arrangement combination of the full cells 110, 111, 112, 113, and 114 which are unit cells, is spaced apart at a width interval corresponding to the at least one full cell from the first full cell 110 and the second full cell 111.
  • the outer surface of the first full cell 110 is completely coated with the separation film 200 in the winding process, and then the bottom electrode (cathode) of the first full cell 110 is formed of the second full cell 111. It comes in contact with the top electrode (anode).
  • the full cells 110, 111, 112, 113, and 114 should be configured such that the positive electrode and the negative electrode face each other at the stacked interface during the winding.
  • the first full cell 110 and the second full cell ( 111 is a full cell in which the top electrode is a positive electrode, a third full cell 112 is a full cell in which the top surface electrode is a cathode, a fourth full cell 113 is a full cell in which the top electrode is an anode, and a fifth full cell 114. Is composed of a full cell whose upper electrode is a cathode. That is, except for the first full cell 110, the upper cells have a sequential arrangement in which the full cells 111 and 113 having the anode and the full cells 112 and 114 having the cathode at the top surface are alternated.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating one arrangement form when a unit cell is a bicell according to another embodiment of the present invention.
  • the bicells 120, 121, 122, 123, and 124 in which the anode / separator / cathode / separator / anode or the cathode / separator / anode / separator / cathode are sequentially disposed as unit cells are separated films.
  • the stack / foldable electrode assembly may be manufactured by being disposed on the 200 and winding sequentially from the first bicell 120.
  • the first bi-cell 120 and the second bi-cell 121 correspond to at least one bi-cell.
  • the outer surface of the first bi-cell 120 is completely coated with the separation film 200 in the winding process, and then the bottom electrode (cathode) of the first bi-cell 120 is formed. 2 is in contact with the upper electrode (anode) of the bi-cell 121.
  • the interval between them in the winding direction is sequentially It is arranged to stretch out.
  • the bicells 120, 121, 122, 123, and 124 should be configured such that the positive electrode and the negative electrode face each other at a stacked interface when the coil is wound.
  • the first bicell 120 includes an external electrode.
  • the cathode is a bicell
  • the second and third bicells 121 and 122 are bicells whose external electrodes are positive electrodes
  • the fourth and fifth bicells 123 and 124 are external electrodes. It consists of a bicell which is this cathode. That is, except for the first bicell 120, the bipolar cells 121 and 122 having the external electrode as the anode and the bicells 123 and 124 having the external electrode as the cathode are alternately arranged in two units. consist of.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a folding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the folding apparatus 500 includes a rotation axis correction unit and a winding unit, and the rotation axis correction unit has a variable rotation structure connected to each other.
  • the rotating shaft corrector includes a rotating eccentric roller 510 and a variable crank 520 for converting the rotational motion of the eccentric roller 510 into a linear motion.
  • channel is formed in the up-down direction by the diameter which an eccentric shaft rotates.
  • the variable crank 520 is configured to suppress movement in the vertical direction.
  • the rotational motion transmitted through the eccentric roller 510 is converted into a linear motion in the left and right direction through the groove without the variable crank 520 moving in the vertical direction. Since the linear motion is generated by the rotational movement of the eccentric shaft of the eccentric roller 510, the linear motion is in the form of a periodic function.
  • variable crank 520 of the rotation axis corrector is linked to the winding unit 530 on which the winding jig 540 is mounted to correct the rotation axis of the winding jig 540 in the moving direction of the web.
  • the winding jig 540 may maintain a constant feed speed of the web in the process of winding the web in which the unit cells 550 are arranged on the separation film 560.
  • the variable crank as described above, there is an advantage that it is possible to block the departure of the device that can occur in the process of moving at high speed in advance.
  • the folding device of the stack / foldable electrode assembly according to the present invention can improve the rotational speed without changing the existing device, thereby improving the process efficiency.

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Abstract

본 발명은 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서, 분리필름의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부; 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취 지그; 및 상기 권취 지그의 회전축을 웹의 진행 방향(X축 방향)에서 위치 보정하는 회전축 보정부;를 포함하고 있고, 상기 회전축 보정부는 웹의 인장력이 일정하게 유지될 수 있도록, 판상형 유닛셀의 권취시 발생하는 웹의 X축 속도(Vx) 변화를 보상하는 크기로 회전축의 위치를 주기적으로 변화시키는 폴딩 장치를 제공한다.

Description

전극조립체의 폴딩 장치
본 발명은 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서, 분리막의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부; 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취 지그; 및 상기 권취 지그의 회전축을 웹의 진행 방향(X축 방향)에서 위치 보정하는 회전축 보정부;를 포함하고 있고, 상기 회전축 보정부는 웹의 인장력이 일정하게 유지될 수 있도록, 판상형 유닛셀의 권취시 발생하는 웹의 X축 속도(Vx) 변화를 보상하는 크기로 회전축의 위치를 주기적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시된 바가 있다. 본 출원에서는 이러한 구조의 전극조립체를 스택/폴딩형 전극조립체로서 칭한다.
상기와 같은 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 전지케이스에 내장한 구조의 이차전지는 다양한 형태일 수 있으며, 그것의 대표적인 예가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스를 사용하는 리튬이온 폴리머 전지(LiPB)이다.
리튬이온 폴리머 전지(LiPB)는 전극(양극 및 음극)과 분리막을 열융착시킨 전극조립체에 전해액을 함침시킨 구조로서, 주로 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉한 형태로서 많이 사용되고 있다. 따라서, 리튬이온 폴리머 전지를 종종 파우치형 전지로 칭하기도 한다.
상기 스택/폴딩형 전극조립체를 폴딩하기 위해서 일반적으로 회전운동으로 전극조립체를 폴딩하는 장치를 사용한다. 도 1을 참조하면, 상기 장치는 분리필름의 상면에 판상형 유닛셀들(100, 101, 102 ...)이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)(200)을 공급하는 롤러 형태의 웹 공급부(400)가 있고, 상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취 지그(300)을 포함하고 있다. 상기 권취 지그(300)이 회전하면서 유닛셀들(100, 101, 102 ...)이 순차적으로 적층된다.
그러나, 권취 지그(300)이 회전하면서 판상형의 유닛셀들(100, 101, 102 ...)을 권취하기 때문에, 웹(200)의 인장력(tension)이 변하게 된다. 이러한 웹(200)의 인장력 변화는 웹(200)이 권취 장치에 공급되기 이전의 전반적인 공정에 부정적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 권취 장치에서 웹(200)의 인장력을 균일하게 유지하기 위하여, 웹(200)의 진행 방향인 X축 방향에서 권취 지그(300)의 위치를 보정하기 위한 방안을 고려할 수 있다.
이와 관련하여, 도 2를 참조하면, 권취 지그의 회전 반경이 a이고, 롤러에서 권취 지그의 회전중심까지의 거리가 b이며, 롤러에서 권취 지그의 각도에 따른 웹의 길이가 c인 것으로 상정할 때, 상기 c는 X축에 대한 권취 지그와 각도 변화(θ)에 따라, 하기와 같은 식으로 나타낼 수 있다.
c = (a2+b2-2abcosθ)1/2
도 3에는 상기 c값의 각도(θ)에 대한 변화량과 선형의 경우인 웹의 길이 변화량('선형 변화량')에 대한 그래프가 개시되어 있다. 도 3에서 각도(θ)는 일정한 속도로 회전하므로 각속도가 일정하기 때문에 상기 그래프는 시간-변위 그래프와 같다고 할 수 있다. 따라서, 선형 변화량은 일정한 기울기를 가진 직선으로 일정한 속도를 나타낸다.
상기 평상형 구조물의 회전운동으로는 선형 변화량으로 변화하지 않으므로, 상기 c값의 각도(θ)에 대한 변화량과 선형 변화량의 차이만큼 보정이 필요하게 된다. 상기 보정량에 관한 그래프가 도 3에 함께 개시되어 있다.
그러나, 위의 계산방법으로 얻은 보정량을 각각 대응시켜 권취 지그의 회전축을 웹의 진행 방향(X축 방향)으로 위치 보정하는 경우, 일정 회전 속도 이상으로 공정을 진행하기에 한계가 있다.
이와 관련하여, 도 4를 참조하면, 상기 보정량의 그래프는 θ이 180°인 점에서 미분이 불가능하게 되고, 상기 부분에서 충격량(jerk)이 과대해지는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 현재 적용중인 일반적인 생산 공정에서 크게 부각되지 않는다. 그러나, 권취 지그의 회전 속도를 상승시킬 경우, 과도한 충격량이 권취 장치에 가해지면서 잦은 부품 교체, 제품의 불량 발생 등의 문제점이 초래된다. 특히, 공정 효율성의 향상을 위해 권취 지그의 회전 속도를 현재 적용중인 일반적인 생산 공정에서의 속도보다 2배 이상 상승시킬 경우에 더욱 큰 문제점을 유발한다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 웹의 인장력이 일정하게 유지될 수 있도록, 판상형 유닛셀의 권취시 발생하는 웹의 X축 속도(Vx) 변화를 보상하는 크기로 회전축의 위치를 주기적으로 변화시킬 수 있는, 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치를 개발하기에 이르렀고, 이러한 폴딩 장치를 사용하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 경우, 권취 지그의 회전 속도를 증가시키는 경우에도 장치에 무리한 충격량이 가해지지 않고, 나아가 공정 효율성을 증진시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
분리필름의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부;
상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취 지그; 및
상기 권취 지그의 회전축을 웹의 진행 방향(X축 방향)에서 위치 보정하는 회전축 보정부;
를 포함하고 있고,
상기 회전축 보정부는 웹의 인장력이 일정하게 유지될 수 있도록, 판상형 유닛셀의 권취시 발생하는 웹의 X축 속도(Vx) 변화를 보상하는 크기로 회전축의 위치를 주기적으로 변화시키는 폴딩 장치를 제공한다.
상기 Vx는 웹 공급부에서의 속도를 나타낸다. 웹 공급부에서의 X축 속도가 일정해야 웹 공급부와 권취 지그 사이의 인장력이 일정하게 유지될 수 있다.
도 2 및 3을 참조하여 설명한 보정량은 일견 180°를 주기로 하는 함수처럼 보일 수도 있지만, 실제 180°인 지점에서 기울기 값이 다른 미분불가 점이 존재하게 된다. 구체적으로, 변위를 미분하면 속도가 되는데, 속도가 순간적으로 변화하는 점이 발생하게 되고, 이는 도 4에서 보는 바와 같이 가속도가 급격이 변화하는 점이 되고, 이는 곧 충격량이 과대해지는 것을 의미한다.
이는, 권취 지그 또는 유닛셀이 원통형이 아닌 판상형으로 회전 운동을 하기 때문에 발생하는 현상으로 볼 수 있다. 즉, 권취시 발생하는 웹의 X축 속도(Vx)는 이론적으로는 sinθ에 비례할 것으로 보이지만, 실제로는 최대값이 θ= 90°가 아니라 그보다 이전인 θ= 80° 전후에서 나타나게 된다. 이는 회전 운동의 원과 접선을 이루는 부분에서 최대값을 가지기 때문인 것으로 볼 수 있다.
따라서, 이론적으로 계산한 보정량 대로 권취 지그를 X축 방향으로 보정하는 경우, 일정 속도 이상으로 공정을 수행하면 장치에 부하가 심하게 걸리게 되고, 보다 높은 토크를 가지는 회전축 보정부로 설계를 변경해야 하는 문제가 있다.
반면에, 상기 이론적으로 계산한 보정량 그래프를 변위값이 유사한 주기 함수로 변경하는 경우, 미분 불가 지점이 발생하지 않으면서 회전 속도를 증가시켜도 장치에 부하가 심하게 걸리지 않고, 설계 변경 없이 공정 효율성을 증진시킬 수 있게 된다. 도 5를 참조하면, 보정량 그래프의 모든 위치에서 미분이 가능하고, 속도 및 가속도 그래프가 모두 연속한다. 또한, 충격량이 일정 범위를 벗어나지 않는다.
상기 유닛셀은 풀셀 또는 바이셀인 것이 바람직하다.
상기 유닛셀로서의 풀셀은 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 등을 들 수 있다.
또한, 유닛셀로서의 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 셀이다. 본 명세서에서는 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 셀을 "C형 바이셀"로서 칭하고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀을 "A형 바이셀"로서 칭한다. 즉, 양측에 양극이 위치하는 셀을 C형 바이셀이라 하고, 양측에 음극이 위치하는 셀을 A형 바이셀이라 한다.
이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
풀셀과 바이셀은 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 이러한 결합 방법의 바람직한 예로는 열융착 방식을 들 수 있다.
풀셀과 바이셀에서 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 본 발명에서 사용되는 분리막 필름은 상기 분리막과 동일한 소재일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 유닛셀은 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 사이에 간격을 주는 것은 권취 과정에서 1회 권취시 제 1 유닛셀의 외면이 분리필름으로 완전히 도포된 상태에서 다른 유닛셀의 전극과 대면하게 해 줌으로써, 근본적으로 전극끼리 접촉하여 일어날 수 있는 단락 등을 방지하기 위함이다.
상기 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 경우, 적층되는 면에서의 전극은 서로 다른 전극이 대향해야 한다. 이를 위하여, 풀셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 하고, 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 C형 바이셀과 A형 바이셀들을 적층하여야 한다.
상기 유닛셀이 풀셀인 경우, 도 6에서 나타내는 바와 같이, 제 1 풀셀(110)과 제 2 풀셀(111)은 동일한 전극이 위로 향하고, 제 2 풀셀 이후에는 순차적으로 다른 전극이 위로 향하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 1 풀셀(110)이 "+" 전극이 위로 향하고 있으면, 제 2 풀셀(111)도 "+" 전극이 위로 향하고 있고, 제 3 풀셀(112)은 "-" 전극이 위로 향하고 있게 된다. 이후, "+"와 "-" 전극이 순차적으로 배열되어 있을 수 있다.
상기 유닛셀이 바이셀인 경우, 도 7에서 나타내는 바와 같이, 제 1 바이셀(120)과 제 2 바이셀(121)은 서로 다른 종류의 셀이고, 제 2 바이셀 이후의 셀들은 동일 타입의 셀이 두 개씩 짝지어 있는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 1 바이셀(120)이 C형 바이셀이면, 제 2, 3 바이셀(121, 122)은 A형 바이셀이고, 제 4, 5 바이셀(123, 124)은 C형 바이셀이며, 이후 동일한 타입의 셀이 두 개씩 순차적으로 배열되어 있을 수 있다.
상기 권취 지그는 상기 웹을 권취할 수 있는 것이면 그 형태는 특별히 제한되지 않지만, 유닛셀의 상단부와 상기 유닛셀에 대응하는 분리필름의 하단부에서 웹을 잡아 고정하는 형태의 지그인 것이 바람직하다.
상기 지그는 유닛셀과 분리필름을 동시에 잡고 권취함으로써 유닛셀 사이에 분리필름이 개재된 상태로 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 폴딩 장치에서, 각도(θ)에 대한 상기 회전축의 보정량이 사인(sin) 함수의 주기로 변화되는 것이 바람직하다.
이론적인 계산에 따른 보정량의 그래프와 변위값이 유사한 주기함수 중에서, 그 형태가 가장 유사한 것이 사인(sin) 함수 주기이다. 상기 사인 함수의 변위 값은 폴딩 장치의 보정량 계산에 있어 변수인 a, b 및 c 값에 따라 변하게 되고, 계산된 보정량과 변위값이 유사한 사인 함수를 찾아서 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 폴딩 장치에 있어서, 상기 권취 지그의 회전 속도는 20 내지 200 (rpm)으로 되는 것이 바람직하다.
장치의 별도의 변경 없이, 상기와 같은 회전 속도를 구현하는 것이 가능함으로써, 회전 속도의 상승에 따라 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
상기 권취 지그의 회전축 보정부는 주기 함수로 보정할 수 있는 것이면 어느 것이나 사용이 가능하지만, 권취 속도를 빠르게 하더라도 회전축 보정부가 이탈하지 않도록 상호 연결된 가변 회전 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 가변 회전 구조의 하나의 바람직한 예로, 회전운동을 좌우방향의 직선 왕복 운동으로 변환시켜주는 편심 롤러와 가변 크랭크로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기에서 설명한 장치를 사용하여 제조되는 스택-폴딩형 전극조립체를 제공하고, 상기 전극조립체와 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치의 개략적인 모식도이다;
도 2는 권취 지그의 회전 운동으로 인한 웹의 길이 변화를 계산하기 위한 구조도이다;
도 3은 회전 운동 시 웹의 길이 변화량, 선형의 경우 웹의 길이 변화량, 및 보정량의 회전 각도(θ)에 대한 그래프이다;
도 4는 보정량, 속도, 가속도 및 충격량의 회전 각도(θ)에 대한 그래프이다;
도 5는 주기 함수로 보정해주는 경우의 보정량, 속도, 가속도 및 충격량의 회전 각도(θ)에 대한 그래프이다;
도 6는 유닛셀이 풀셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도이다;
도 7은 유닛셀이 바이셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 폴딩 장치의 개략적인 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 주기 함수(7.25 사인(sin) 함수)로 보정해주는 경우의 보정량, 속도, 가속도 및 충격량의 회전 각도(θ)에 대한 그래프가 개시되어 있다.
이와 관련하여, 도 5와의 비교를 위해 우선 도 2 내지 도 4와 관련하여 비교 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 롤러에서 권취 지그 각도에 따른 웹의 길이인 c는 X축에 대한 권취 지그와 각도 변화(θ)에 따라 c = (a2+b2-2abcosθ)1/2로 표현되며, 상기 계산된 c에서 θ=0인 경우의 c0를 빼면 웹의 길이 변화량을 구할 수 있다.
그에 따라, 웹의 길이 변화량은, 회전 각도에 따라 웹의 길이가 일정하게 증가하는 선형 변화량과 비교하여, 도 3에서와 같은 편차가 발생하게 된다. 따라서, X축 방향에서의 보정에 의해 이러한 편차를 제거하는 방안을 고려할 수 있지만, 도 4에서와 같이, 회전 각도(θ)에 대한 보정량, 속도, 가속도 및 충격량의 관계에서, 180도 부근에서 미분이 불가능한 점이 생기고, 이로 인해, 가속도가 급격하게 변화되어 과다한 충격량이 발생된다.
반면에, 도 5의 그래프에서는 도 4에서와 같은 미분이 불가능한 점이 발생하지 않는다.
도 3에서 계산된 보정량 그래프는 주기 함수인 사인 함수 그래프와 유사하다. 따라서, 장치의 계산된 보정량 그래프와 유사한 사인(sin) 함수 그래프를 적절히 선택하여 보정하게 되면, 도 5에서 보는 바와 같이, 보정량 그래프의 모든 위치에서 미분이 가능하고, 속도 및 가속도 그래프가 모두 연속한다. 또한, 충격량이 일정 범위를 벗어나지 않으므로, 과도한 충격량으로 인한 토크를 보상하지 않아도 된다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 유닛셀이 풀셀인 경우에 배열 형태를 나타내는 모식도가 개시되어 있다.
도 6을 참조하면, 유닛셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 위치되는 풀셀들(110, 111, 112, 113, 114)이 분리필름(200) 상에 배치되어 있고, 제 1 풀셀(110)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 스택/폴딩형 전극조립체를 제조할 수 있다.
이 때, 유닛셀인 풀셀들(110, 111, 112, 113, 114)의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 풀셀(110)과 제 2 풀셀(111)은 적어도 하나의 풀셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 풀셀(110)의 외면이 분리필름(200)으로 완전히 도포된 후 제 1 풀셀(110)의 하단면 전극(음극)이 제 2 풀셀(111)의 상단면 전극(양극)에 접하게 된다.
제 2 풀셀(111) 이후의 풀셀들(112, 113, 114)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름 (200)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 풀셀들(110, 111, 112, 113, 114)은 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 하나의 바람직한 예로, 제 1 풀셀(110)과 제 2 풀셀(111)은 상단면 전극이 양극인 풀셀이고, 제 3 풀셀(112)은 상단면 전극이 음극인 풀셀이며, 제 4 풀셀(113)은 상단면 전극이 양극인 풀셀이고, 제 5 풀셀(114)은 상단면 전극이 음극인 풀셀로 이루어져 있다. 즉, 제 1 풀셀(110)을 제외하면 상단면 전극이 양극인 풀셀들(111, 113)과 상단면 전극이 음극인 풀셀들(112, 114)이 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다.
도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 유닛셀이 바이셀인 경우에 하나의 배열 형태를 나타내는 모식도가 개시되어 있다.
도 7을 참조하면, 유닛셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극이 위치되는 바이셀들(120, 121, 122, 123, 124)이 분리필름(200) 상에 배치되어 있고, 제 1 바이셀(120)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 스택/폴딩형 전극조립체를 제조할 수 있다.
이 때, 유닛셀인 바이셀들(120, 121, 122, 123, 124)의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 바이셀(120)과 제 2 바이셀(121)은 적어도 하나의 바이셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 바이셀(120)의 외면이 분리필름(200)으로 완전히 도포된 후 제 1 바이셀(120)의 하단면 전극(음극)이 제 2 바이셀(121)의 상단면 전극(양극)에 접하게 된다.
제 2 바이셀(121) 이후의 바이셀들(122, 123, 124)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름 (200)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 바이셀들(120, 121, 122, 123, 124)은 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 하나의 바람직한 예로, 제 1 바이셀(120)은 외부 전극이 음극인 바이셀이고, 제 2 바이셀(121)과 제 3 바이셀(122)은 외부 전극이 양극인 바이셀이고, 제 4 바이셀(123)과 제 5 바이셀(124)은 외부 전극이 음극인 바이셀로 이루어져 있다. 즉, 제 1 바이셀(120)을 제외하면 외부 전극이 양극인 바이셀들(121, 122)과 외부 전극이 음극인 바이셀들(123, 124)이 두 개 단위로 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 폴딩 장치의 개략적인 모식도가 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 폴딩 장치(500)는 회전축 보정부와 권취부를 포함하며 회전축 보정부는 상호 연결된 가변 회전 구조로 이루어져 있다. 상기 회전축 보정부는, 회전하는 편심 롤러(510)와, 편심 롤러(510)의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시켜 주는 가변 크랭크(520)로 이루어져 있다.
가변 크랭크(520)에 편심 롤러(510)의 편심 축이 맞물리는 부분에는 편심 축이 회전하는 지름만큼 상하 방향으로 홈이 형성하고 있다. 도면에는 생략되어 있지만, 가변 크랭크(520)는 상하 방향으로의 이동이 억제되도록 구성되어 있다.
따라서, 편심 롤러(510)를 통해 전달되는 회전 운동이 상하 방향으로는 가변 크랭크(520)가 이동하지 않고, 상기 홈을 통해 좌우 방향의 직선 운동으로 변환된다. 이러한 직선 운동은 편심 롤러(510)의 편심 축의 회전 운동에 의해 발생하므로, 주기 함수 형태로 운동하게 된다.
회전축 보정부의 가변 크랭크(520)는 권취 지그(540)가 장착되어 있는 권취부(530)에 연동되어 권취 지그(540)의 회전축을 웹의 이동방향으로 보정하게 된다.
이 경우, 권취 지그(540)가 유닛셀들(550)이 분리필름(560) 위에 배열되어 있는 웹을 권취하는 과정에서 웹의 이송 속도를 일정하게 유지할 수 있게 된다. 또한, 상기와 같이 가변 크랭크를 사용하는 경우, 빠른 속도로 움직이는 과정에서 발생할 수 있는 장치의 이탈을 사전에 차단할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 폴딩 장치는 기존 장치의 변경없이 회전 속도를 증진시킬 수 있어, 공정 효율성을 증진시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 폴딩 장치로서,
    분리필름의 상면에 판상형 유닛셀들이 소정 간격으로 배치되어 있는 웹(web)을 공급하는 웹 공급부;
    상기 웹의 첫번째 유닛셀을 잡아 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되도록 회전시키는 권취 지그; 및
    상기 권취 지그의 회전축을 웹의 진행방향(X축 방향)에서 위치 보정하는 회전축 보정부;를 포함하고 있고,
    상기 회전축 보정부는 웹의 인장력이 일정하게 유지될 수 있도록, 판상형 유닛셀의 권취시 발생하는 웹의 X축 속도(Vx) 변화를 보상하는 크기로 회전축의 위치를 주기적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀은 풀셀 또는 바이셀인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀은 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유닛셀이 풀셀인 경우, 제 1 풀셀과 제 2 풀셀은 동일한 전극이 위로 향하고, 제 2 풀셀 이후에는 순차적으로 다른 전극이 위로 향하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 유닛셀이 바이셀인 경우, 제 1 바이셀과 제 2 바이셀은 서로 다른 타입의 셀이고, 제 2 바이셀 이후의 셀들은 동일 타입의 셀이 두 개씩 짝지어 있는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 권취 지그는 유닛셀의 상단부와 상기 유닛셀에 대응하는 분리필름의 하단부에서 웹을 잡아 고정하는 형태의 지그인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 회전축의 보정량은 사인(sin) 함수의 주기로 변화되는 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 권취 지그의 회전 속도는 20 내지 200 (rpm)인 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 회전축 보정부는 상호 연결된 가변 회전 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 폴딩 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 스택/폴딩형 전극조립체.
  11. 제 10 항에 따른 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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