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KR20160051347A - 스티치 커팅부를 포함하는 전극조립체 제조장치 및 이를 사용하여 제조된 전극조립체 - Google Patents

스티치 커팅부를 포함하는 전극조립체 제조장치 및 이를 사용하여 제조된 전극조립체 Download PDF

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KR20160051347A
KR20160051347A KR1020140151200A KR20140151200A KR20160051347A KR 20160051347 A KR20160051347 A KR 20160051347A KR 1020140151200 A KR1020140151200 A KR 1020140151200A KR 20140151200 A KR20140151200 A KR 20140151200A KR 20160051347 A KR20160051347 A KR 20160051347A
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unit
unit cells
electrode assembly
separation film
cell
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표정관
김재홍
전영호
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은, 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 연속 공정에서, 유닛셀들을 배열하여 폴딩 장치로 이송하는 과정의 제조 장치로서,
상기 분리필름을 공급하는 분리필름 공급부;
상기 분리필름 상에 유닛셀들을 소정 간격으로 배치시키는 유닛셀 배치부; 및
상기 유닛셀들이 배치된 분리필름을 폴딩 장치로 전달하는 유닛셀 이송부;
를 포함하고,
상기 유닛셀 이송부는,
상기 유닛셀들의 위치를 인식하여 유닛셀들 사이의 간격을 측정한 후, 상기 간격 정보를 바탕으로 관통홀 천공 위치를 결정하여 취득한 신호를 하기 스티치 커팅부로 전송하는 위치 검사부; 및
상기 위치 검사부로부터 수신된 신호를 바탕으로, 유닛셀들 사이의 분리필름에 하나 이상의 관통홀을 천공하는 스티치(stitch) 커팅부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치 및 이를 사용하여 제조된 전극조립체에 관한 것이다.

Description

스티치 커팅부를 포함하는 전극조립체 제조장치 및 이를 사용하여 제조된 전극조립체 {Manufacturing Apparatus for Electrode Assembly Comprising Stitch Cutting Member and Stack and Electrode Assembly Manufactured Using the Same}
본 발명은 스티치 커팅부를 포함하는 전극조립체 제조장치 및 이를 사용하여 제조된 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있어, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류 되기도 하며, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 유닛셀들, 예를 들어, 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
이러한 종래의 전극조립체중 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들게 되므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극조립체의 변형이 발생하게 되며, 상기 전극조립체의 변형으로 전극간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협을 받게 되는 문제를 초래한다.
또한, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취하여야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려우므로 생산성이 저하되는 문제점도 갖고 있다.
한편, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로 단위체의 제조를 위한 극판의 전달 공정이 별도로 필요하고 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로 생산성이 낮다는 문제점을 갖고 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 상기 젤리 롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀 또는 풀셀들을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
도 1 내지 도 4에는 이러한 스택-폴딩형 전극조립체에서 유닛셀로서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 바이셀 및 풀셀들의 모식도가 도시되어 있다.
그러나, 상기 스택-폴딩형 전극조립체는, 상기에서 설명한 바와 같은 젤리-롤형 또는 스택형 전극조립체의 단점을 해소할 수는 있으나, 유닛셀들의 외면을 분리필름이 겹겹이 감싸고 있는 형태이므로, 전해액이 함침방향이 길이방향으로 한정되고, 상대적으로 내부의 풀셀 또는 바이셀에 대한 전해액의 함침성이 낮거나 전해액의 함침 속도가 느린 단점이 있다.
이와 관련하여. 도 5에는 종래 스택-폴딩형 전극조립체의 제조장치의 개략적인 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 제조장치에 의해 제조된 전극조립체에 전해액이 함침되는 형상이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 종래 전극조립체 제조장치는 분리필름(1) 상에 유닛셀들(10, 11, 12, 13, 14…)을 소정간격으로 배치하는 유닛셀 배치부(20); 상기 유닛셀들(10, 11, 12, 13, 14…)이 배치된 분리필름(1)을 폴딩 장치(40)로 전달하는 유닛셀 이송부(30); 및 첫번째 유닛셀(10)을 잡아 분리필름(1)이 개재된 상태로 유닛셀들을 순차적으로 적층되도록 회전시키는 폴딩 장치(40)를 포함하고 있다. 이러한 폴딩 장치(40)가 회전하면서 유닛셀들(10, 11, 12, 13, 14, 15)이 순착적으로 적층되어 전극조립체(50)를 형성한다.
이로부터 제조된 전극조립체(50)는 도 6에서와 같이 전해액의 함침 방향이 전극조립체(50)의 전극 단자들(51, 52)의 형성방향인 길이방향(화살표)으로만 한정되게 되는 바, 전해액 함침성이 매우 낮거나, 함침 속도가 매우 느리고, 따라서, 전극간의 반응이 원활하지 못하여 저항이 높아지고 출력특성 및 전지의 용량이 급격히 떨어지며, 이로 인하여 전지 성능 저하, 수명 단축 현상이 나타나는 것은 물론, 높은 저항의 발현으로 전지의 열화 또는 폭발 현상이 일어날 수 있는 위험에 노출되게 된다.
특히, 최근에는 디바이스 또는 장치가 대형화 됨에 따라 전지의 용량 및 크기 면에서 더욱 큰 전지가 지속적으로 요구되면서, 유닛셀들의 적층 수나 로딩량이 증가하고 있고, 이에 상기 전해액 함침성의 문제는 더욱 커졌다.
이러한 문제를 해결하고자, 전해액 함침성 향상을 위해 높은 온도에서 전해액을 주입하거나, 또는 가압 또는 감압 상태에서 전해액을 주입하는 등의 방법이 이용되고 있으나, 분리막이 열에 의해 수축되어 내부 단락을 일으키는 등의 문제점이 계속해서 발생하였다.
따라서, 스택-폴딩형 이차전지에서 전해액에 대한 함침성을 증가시켜 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 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, 소정 간격으로 배치되어 있는 유닛셀들 사이의 분리필름에 하나 이상의 관통홀을 천공하는 스티치 커팅부를 포함하는 전극조립체 제조 장치를 사용하여, 유닛셀들의 적층방향을 기준으로 일측면, 또는 양측면의 분리필름에 외부로부터 내측의 유닛셀들에 전해액이 함침될 수 있도록 하나 이상의 관통홀들이 천공되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체를 제조하는 경우, 스택-폴딩형 전극조립체의 전해액 함침성이 향상되는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치는,
분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 연속 공정에서, 유닛셀들을 배열하여 폴딩 장치로 이송하는 과정의 제조 장치로서,
상기 분리필름을 공급하는 분리필름 공급부;
상기 분리필름 상에 유닛셀들을 소정 간격으로 배치시키는 유닛셀 배치부; 및
상기 유닛셀들이 배치된 분리필름을 폴딩 장치로 전달하는 유닛셀 이송부;
를 포함하고,
상기 유닛셀 이송부는,
상기 유닛셀들의 위치를 인식하여 유닛셀들 사이의 간격을 측정한 후, 상기 간격 정보를 바탕으로 관통홀 천공 위치를 결정하여 취득한 신호를 하기 커팅부로 전송하는 위치 검사부; 및
상기 위치 검사부로부터 수신된 신호를 바탕으로, 유닛셀들 사이의 분리필름에 하나 이상의 관통홀을 천공하는 스티치(stitch) 커팅부;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 위치 검사부는, 유닛셀 이송부의 상부에 설치되어 유닛셀들의 위치를 촬영하는 카메라와, 상기 카메라로부터 얻어지는 화상 신호를 바탕으로 유닛셀들 사이의 간격을 측정하고 관통홀 천공 위치를 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 카메라는 상호 인접한 유닛셀들의 간격을 인식할 수 있도록 촬영하는 것이면 한정되지 아니하고, 상호 인접한 유닛셀들 전체를 촬영할 수도, 일부만을 촬영할 수도 있다.
상기 유닛셀들의 간격만을 인식하면, 스티치 커팅부가 관통홀을 형성할 수 있는 정보를 얻을 수 있기 때문에, 상세하게는, 상호 인접한 유닛셀들의 일측면 모서리를 포함한 촬영 영상을 취득하도록 설정될 수 있다.
이로부터 취득한 촬영 영상은, 상기에서 설명한 바와 같이, 화상 신호로 생성되고, 이를 바탕으로 상기 제어부는 유닛셀들 사이의 간격을 측정하여 관통홀 천공 위치를 결정하고 그 신호를 스티치 커팅부로 전송한다.
이와 같이 결정된 관통홀의 천공 위치 신호를 받은 스티치 커팅부는, 다양한 방법으로 인접한 유닛셀들 사이의 분리필름에 하나 이상의 관통홀을 천공하고, 상세하게는, 레이저를 조사하여 관통홀을 천공할 수 있고, 커팅 나이프(knife)를 사용하여 기계적 방법으로 관통홀을 천공할 수도 있다.
이때, 상기 관통홀은 그 형상에 한정이 없고, 평면상으로 슬릿형, 원형, 타원형, 또는 다각형의 형상을 가질 수 있다.
상기 관통홀의 천공 위치는, 소정의 간격으로 배열되어 있는 유닛셀들 중 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 권취 폭에 대응하는 크기로 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 바, 상기 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 사이의 경우, 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 간격의 끝단 부위, 또는 중앙 부위일 수 있고 한정되지 아니하나, 상세하게는, 이후 관통홀의 위치와 일치시키기 위해 끝단 부위일 수 있으며, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 인접하는 유닛셀들 사이 간격의 중앙 부위일 수 있다. 여기서, 상기 부위는 끝단, 중앙과 같은 기준점으로부터 소정의 간격, 예를 들어 5mm 이하의 거리 내의 부분을 의미한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치는, 위치 검사부가 유닛셀들 사이의 간격을 인식하고, 스티치 커팅부가 유닛셀들 사이의 분리필름에 하나 이상의 관통홀을 천공하는 과정을 수행하는 구조를 포함함으로써, 유닛셀들의 적층방향을 기준으로 일측면, 또는 양측면의 분리필름에 하나 이상의 관통홀들이 천공되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체를 제조할 수 있는 바, 전극조립체 내측의 유닛셀들로의 전해액 함침을 위한 경로를 마련하여 전해액에 대한 함침성 및 함침속도를 현저히 개선시킬 수 있다.
즉, 기존의 스택-폴딩형 전극조립체는, 유닛셀들의 외면을 분리필름이 겹겹이 감싸고 있는 형태이므로, 전해액이 함침방향이 길이방향으로 한정되는 바, 상대적으로 내부의 풀셀 또는 바이셀에 대한 전해액의 함침성이 매우 낮은 문제가 있었다.
반면, 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치는, 소정 간격으로 배열된 유닛셀들 사이의 분리필름에 다수의 관통홀을 형성하는 바, 이는 이후 폴딩 장치에 의해 유닛셀들이 권취되면, 유닛셀들 사이의 분리필름이 전극조립체의 측면을 형성하게 되고, 따라서, 제조된 전극조립체는 유닛셀들의 적층 방향을 기준으로 일측면 및/또는 양측면에 관통홀을 가지므로, 길이방향뿐 아니라, 측면방향에서도 전해액의 함침이 이루어져 전극조립체 내측의 유닛셀들까지 전해액 함침이 용이하게 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 길이방향은 전극단자들의 형성방향을 의미하고, 측면방향은 상기 유닛셀들의 적층방향을 기준으로 전극단자들이 형성된 방향 이외의 측면을 의미한다.
또한, 폴딩 장치에 의한 폴딩 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 유닛셀 이송부는 상기 위치 검사부 및 스티치 커팅부 이외에, 분리필름 상에 소정 간격으로 배치된 유닛셀들을 열 및/또는 압력에 의해 라미네이트 시키는 유닛셀 라미네이트부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 유닛셀 라미네이트부는 열을 가하는 히팅존(heating zone) 및/또는 압력을 가하는 라미네이트 롤을 포함할 수 있고, 상세하게는, 히팅존(heating zone) 및 라미네이트 롤을 모두 포함하여, 유닛셀들에 열을 가한 후 압착시킴으로써 보다 견고하게 라미네이트를 수행할 수 있다.
여기서 상기 유닛셀은, 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full-cell)일 수 있고, 바이셀과 풀셀이 함께 사용될 수도 있다. 상기 종래기술에서 설명한 바와 같이, 바이셀은 같은 종류의 전극이 셀의 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극과 같이 양극이 유닛셀의 양단에 위치하는 구조의 제 1 바이셀(도 3 참조)과 음극-분리막-양극-분리막-음극과 같이 음극이 유닛셀의 양단에 위치하는 구조의 제 2 바이셀(도 4 참조)를 들 수 있다. 이러한 바이셀을 이용하여 상기 전극조립체를 구성하는 경우에는 상기 제 1 바이셀과 제 2 바이셀을 모두 포함할 수 있다.
풀셀은 다른 종류의 전극이 셀의 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극으로 이루어진 셀(도 1 참조) 또는 양극-분리막-음극-분리막-양극으로 이루어진 셀(도 2 참조)을 들 수 있다. 이러한 풀셀을 사용하여 전극조립체를 구성하는 경우에는, 한 종류의 풀셀만을 사용할 수도 있고, 다수의 풀셀을 사용할 수도 있으며, 양극과 음극이 서로 대면하도록 적층된다면 한정되지 아니한다.
상기 바이셀과 풀셀에서 양극은 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; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 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 30 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 30 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.
상기 음극은 음극 집전체 상에 상기 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 분리필름 역시 상기 분리막의 설명에 대응된다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체 제조 장치를 사용하여 제조된 스택-폴딩형 전극조립체를 제공한다.
따라서, 상기 스택-폴딩형 전극조립체는, 구체적으로,
(i) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 복수의 유닛셀들을 제조하는 과정;
(ii) 상기 유닛셀들을 긴 시트 상의 분리필름 상에 배치시키는 과정;
(iii) 상기 유닛셀들 사이의 분리필름에 관통홀을 천공하는 과정; 및
(iv) 상기 유닛셀들이 분리필름이 개재된 상태로 순차적으로 적층되도록 회전시켜 권취하는 과정;
을 포함하여 제조된다.
이때, 유닛셀들의 배치 방법과, 관통홀의 천공 위치 및 천공 방법 등은 상기에서 설명한 바와 같다.
상기 제조 과정 중 (ii) 및 (iii)은 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치에 의해 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 제조된 스택-폴딩형 전극조립체는, 상기에서 설명한 바와 같이, 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있고, 유닛셀들의 적층방향을 기준으로 일측면, 또는 양측면의 분리필름에는 외부로부터 내측의 유닛셀들에 전해액이 함침될 수 있도록 하나 이상의 관통홀들이 천공되어 있을 수 있다.
더 나아가, 본 발명은 상기 전극조립체를 포함하는 이차전지를 제공하고, 상기 이차전지는, 상세하게는, 상기 전극조립체에 리튬염 함유 비수 전해액이 함침되어 있는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 리튬염 함유 비수 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있고, 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
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.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해액을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공하며, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 구체적인 예로는 모바일 전자기기, 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); 전력저장용 시스템; 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전지모듈 및 전지팩의 구조 및 그것들의 제작 방법과, 상기 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치는, 유닛셀들이 배치된 분리필름을 폴딩 장치로 전달하는 유닛셀 이송부에, 소정 간격으로 배치되어 있는 유닛셀들 사이의 분리필름에 하나 이상의 관통홀을 천공하는 스티치 커팅부를 포함함으로써, 유닛셀들의 적층방향을 기준으로 일측면, 또는 양측면의 분리필름에 하나 이상의 관통홀들이 천공되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체를 제조할 수 있는 바, 전극조립체 내측의 유닛셀들로의 전해액 함침을 위한 경로를 마련하여 전해액에 대한 함침성 및 함침속도를 현저히 개선시키고, 이에 의해 수명특성, 출력특성 및 용량 등의 전지 성능을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 상기 관통홀들은 본 발명에 따른 전극조립체를 포함하는 이차전지의 작동 중 고온 및 과충전 등에 의해 발생되는 기화된 전해액 및 가스 등의 가스 방출을 원활하게 하는 기능도 수행할 수 있는 바, 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 스택-폴딩형 전극조립체의 유닛셀로서 사용될 수 있는 예시적인 풀셀의 모식도이다;
도 3 및 도 4는 스택-폴딩형 전극조립체의 유닛셀로서 사용될 수 있는 예시적인 바이셀의 모식도이다;
도 5는 종래 스택-폴딩형 전극조립체의 제조장치의 개략적인 모식도이다;
도 6은 도 5의 제조장치에 의해 제조된 전극조립체에 전해액이 함침되는 형상의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택-폴딩형 전극조립체의 제조 장치의 개략적인 모식도이다;
도 8은 도 7의 제조장치에 의해 제조된 전극조립체에 전해액이 함침되는 형상의 모식도이다;
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택-폴딩형 전극조립체의 제조 장치의 개략적인 모식도가 도시되어 있다.
도 7를 참조하면, 상기 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치(100)는, 유닛셀들(121, 122, 123, 124)을 배열하여 폴딩 장치(160)로 이송하는 과정의 제조 장치로서, 분리필름(111)을 공급하는 분리필름 공급부(110), 분리필름(111) 상에 유닛셀들(121, 122, 123, 124)을 소정 간격으로 배치시키는 유닛셀 배치부(120), 및 유닛셀들(121, 122, 123, 124)이 배치된 분리필름(111)을 폴딩 장치(160)로 전달하는 유닛셀 이송부(130)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
이때, 유닛셀 이송부(130)는, 구체적으로, 유닛셀들(121, 122, 123, 124)의 위치를 인식하여 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 사이의 간격을 측정한 후, 상기 간격 정보를 바탕으로 관통홀(150) 천공 위치를 결정하여 취득한 신호를 하기 스티치 커팅부(135)로 전송하는 위치 검사부(131)와 위치 검사부(131)로부터 수신된 신호를 바탕으로, 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 사이의 분리필름(111)에 하나 이상의 관통홀(150)을 천공하는 스티치(stitch) 커팅부(135)를 포함하도록 구성되어 있다.
위치 검사부(131)는, 구체적으로, 유닛셀 이송부(130)의 상부에 설치되어 유닛셀들(121, 122, 123, 124)의 위치를 촬영하는 카메라(132)와, 상기 카메라(132)로부터 얻어지는 화상 신호를 바탕으로 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 사이의 간격을 측정하고 관통홀(150) 천공 위치를 결정하는 제어부(133)으로 구성되어 있는데, 여기서 카메라(132)가 상호 인접한 유닛셀들(121, 122, 123, 124)의 간격을 인식할 수 있도록 촬영하여 촬영 영상을 화상 신호로 생성하면, 이를 바탕으로 제어부(133)가 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 사이의 간격을 측정하여 관통홀(150) 천공 위치를 결정하고 그 신호를 스티치 커팅부(135)로 전송하는 과정을 거친다.
이후에는, 이와 같이 결정된 관통홀(150)의 형성 위치 신호를 받은 스티치 커팅부(135)가, 레이저를 조사하여 인접한 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 사이의 분리필름(111)에 하나 이상의 관통홀(150)을 천공한다. 도 7에서는 레이저를 조사하여 관통홀(150)을 천공하는 과정만을 도시했지만, 커팅 나이프(knife) 등의 기계적 방법으로 관통홀(150)을 천공할 수 있는 것은 물론이다. 또한, 도 7의 관통홀(150)은 평면상으로 슬릿형이지만, 원형, 타원형, 또는 다각형의 형상을 가질 수 있고, 그 형상은 한정되지 아니한다.
이때, 관통홀(150)은, 이후 폴딩 장치(160)에 의해 유닛셀들(121, 122, 123, 124)이 권취되면, 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 사이의 분리필름(111)이 전극조립체의 측면을 형성할 수 있도록, 소정의 간격으로 배열되어 있는 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 중 제 1 유닛셀(121)과 제 2 유닛셀(121) 사이의 경우, 간격의 끝단 부위에 형성되고, 제 2 유닛셀(122) 이후의 유닛셀들(123, 124...) 사이의 경우 인접하는 유닛셀들 사이 간격의 중앙 부위에 형성된다. 여기서, 상기 부위는 끝단, 중앙과 같은 기준점으로부터 소정의 간격, 예를 들어 5mm 이하의 거리 내의 부분을 의미한다.
한편, 더 나아가, 유닛셀 이송부(130)은, 소정 간격으로 배치된 유닛셀들(121, 122, 123, 124)에 열을 가하는 히팅존(heating zone)(141) 및 압력을 가하여 라미네이트 시키는 라미네이트 롤(142)를 포함하는 유닛셀 라미네이트부(140)을 더 포함하도록 구성됨으로써, 보다 전극조립체가 견고할 수 있도록 라미네이트가 수행되는 과정을 포함할 수 있다.
도 8에는 이와 같은 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치(100)에 의해 제조된 전극조립체(200)에 전해액이 함침되는 형상(화살표 참조)이 모식적으로 도시되어 있다.
구체적으로, 도 8을 도 7과 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치(100)는 위치 검사부(131)가 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 사이의 간격을 인식하고, 스티치 커팅부(135)가 유닛셀들(121, 122, 123, 124) 사이의 분리필름(111)에 하나 이상의 관통홀(150)을 천공하는 과정을 수행하는 구조를 포함함으로써, 이후 폴딩 장치(160)에 의해 유닛셀들(121, 122, 123, 124)을 권취하면, 유닛셀들(121, 122, 123, 124)의 적층방향을 기준으로 양측면의 분리필름에 하나 이상의 관통홀들(150)이 천공되어 있는 전극조립체가 제조 되는 바, 전극조립체(200) 내측의 유닛셀들로의 전해액 함침을 위한 경로를 마련하여 전해액에 대한 함침성 및 함침속도를 현저히 개선시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치(100)로 제조된 전극조립체(200)는, 전해액의 함침 방향이 전극조립체(200)의 전극 단자들(201, 202)의 형성방향인 길이방향(화살표)뿐 아니라, 측면방향(화살표)에서도 전해액의 함침이 이루어져 전극조립체(200) 내측의 유닛셀들까지 전해액 함침이 용이하게 이루어질 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 (23)

  1. 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체의 제조를 위한 연속 공정에서, 유닛셀들을 배열하여 폴딩 장치로 이송하는 과정의 제조 장치로서,
    상기 분리필름을 공급하는 분리필름 공급부;
    상기 분리필름 상에 유닛셀들을 소정 간격으로 배치시키는 유닛셀 배치부; 및
    상기 유닛셀들이 배치된 분리필름을 폴딩 장치로 전달하는 유닛셀 이송부;
    를 포함하고,
    상기 유닛셀 이송부는,
    상기 유닛셀들의 위치를 인식하여 유닛셀들 사이의 간격을 측정한 후, 상기 간격 정보를 바탕으로 관통홀 천공 위치를 결정하여 취득한 신호를 하기 스티치 커팅부로 전송하는 위치 검사부; 및
    상기 위치 검사부로부터 수신된 신호를 바탕으로, 유닛셀들 사이의 분리필름에 하나 이상의 관통홀을 천공하는 스티치(stitch) 커팅부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀 이송부는, 분리필름 상에 소정 간격으로 배치된 유닛셀들을 열 및/또는 압력에 의해 라미네이트 시키는 유닛셀 라미네이트부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 유닛셀 라미네이트부는 열을 가하는 히팅존 (heating zone) 및/또는 압력을 가하는 라미네이트 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀은 바이셀 또는 풀셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  5. 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 권취 폭에 대응하는 크기로 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 사이의 분리필름에 천공되는 관통홀의 위치는 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 간격의 끝단 부위고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 인접하는 유닛셀들 사이 간격의 중앙 부위인 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 유닛셀이 바이셀인 경우, 양극이 유닛셀의 양단에 위치하는 구조의 제 1 바이셀과, 음극이 유닛셀의 양단에 위치하는 구조의 제 2 바이셀을 포함하는 것을 전극조립체 제조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 위치 검사부는, 유닛셀 이송부의 상부에 설치되어 유닛셀들의 위치를 촬영하는 카메라와, 상기 카메라로부터 얻어지는 화상 신호를 바탕으로 유닛셀들 사이의 간격을 측정하고 관통홀 천공 위치를 결정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 카메라는, 상호 인접한 유닛셀들의 간격을 인식할 수 있도록, 상호 인접한 유닛셀들의 일측면 모서리를 포함한 촬영 영상을 취득하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 스티치 커팅부는 레이저를 조사하여 분리필름 상에 관통홀을 천공하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 스티치 커팅부는 커팅 나이프(knife)를 사용하여 분리필름 상에 관통홀을 천공하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 관통홀은 평면상으로 슬릿형, 원형, 타원형 또는 다각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나의 장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 스택-폴딩형 전극조립체.
  14. 분리필름이 개재된 상태로 유닛셀들이 순차적으로 적층되어 있고, 유닛셀들의 적층방향을 기준으로 일측면, 또는 양측면의 분리필름에는 외부로부터 내측의 유닛셀들에 전해액이 함침될 수 있도록 하나 이상의 관통홀들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 스택-폴딩형 전극조립체.
  15. 스택-폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
    (i) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 복수의 유닛셀들을 제조하는 과정;
    (ii) 상기 유닛셀들을 긴 시트 상의 분리필름 상에 배치시키는 과정;
    (iii) 상기 유닛셀들 사이의 분리필름에 관통홀을 천공하는 과정; 및
    (iv) 상기 유닛셀들이 분리필름이 개재된 상태로 순차적으로 적층되도록 회전시켜 권취하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스택-폴딩형 전극조립체의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 과정(ii)는, 복수의 유닛셀들 중 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀을 분리필름 상에 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 이격된 거리에 배치하고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 권취 폭에 대응하는 크기로 각각의 간격이 점증하는 배열 형태로 분리필름 상에 배치하는 것을 특징으로 하는 스택-폴딩형 전극조립체의 제조방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 과정(iii)에서 관통홀은, 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀의 경우, 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 간격의 끝단 부위에 천공되고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들의 경우, 인접하는 유닛셀들 사이 간격의 중앙 부위에 천공되는 것을 특징으로 하는 스택-폴딩형 전극조립체의 제조방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 과정(iii)에서 관통홀은, 레이저 또는 커팅 나이프(knife)에 의해 천공되는 것을 특징으로 하는 스택-폴딩형 전극조립체의 제조방법.
  19. 제 13 항에 따른 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제 19 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  21. 제 20 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 21 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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