각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심 및 이를 이용한 전극조립체 제조방법(MANDREL STRUCTURE FOR FABRICATING ELECTRODE ASSEMBLY OF PRISMATIC SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR FABRICATING ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2017년11월10일
(11) 등록번호 10-1796282
(24) 등록일자 2017년11월03일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H01M 10/04 (2015.01) H01M 10/0587 (2010.01)
(21) 출원번호 10-2014-0002319
(22) 출원일자 2014년01월08일
심사청구일자 2016년04월15일
(65) 공개번호 10-2015-0082852
(43) 공개일자 2015년07월16일
(56) 선행기술조사문헌
JP2007184160 A
KR1020060106892 A
JP2003124083 A
JP2005339915 A
(73) 특허권자
주식회사 엘지화학
서울특별시 영등포구 여의대로 128 (여의도동)
(72) 발명자
김학균
대전광역시 유성구 문지로 188(문지동, LG화학기
술연구원)
여창신
대전광역시 유성구 문지로 188(문지동, LG화학기
술연구원)
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
특허법인필앤온지
전체 청구항 수 : 총 8 항 심사관 : 노석철
(54) 발명의 명칭 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심 및 이를 이용한 전극조립체 제조방법
(57) 요 약
본 발명은 각형 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 장치에 사용되는 권심에 관한 것이다. 본 발명은 전
극조립체를 원형으로 와인딩할 수 있는 둘레면을 가진 권심 본체; 및 상기 권심 본체의 외부로 선택적으로 돌출
될 수 있도록 상기 권심 본체의 내부에서 반경 방향으로 전,후진 가능하게 설치되고, 돌출 시 상기 권심 본체에
원형으로 와인딩된 전극조립체에 폴딩 라인을 형성하는 폴딩 척;을 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지
의 전극조립체 제조용 권심을 개시한다.
대 표 도 - 도2
등록특허 10-1796282
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(72) 발명자
정재철
대전광역시 유성구 문지로 188(문지동, LG화학기술
연구원)
김순환
대전광역시 유성구 문지로 188(문지동, LG화학기술
연구원)
김정수
대전광역시 유성구 문지로 188(문지동, LG화학기술
연구원)
남상봉
대전광역시 유성구 문지로 188(문지동, LG화학기술
연구원)
이향목
대전광역시 유성구 문지로 188(문지동, LG화학기술
연구원)
등록특허 10-1796282
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명 세 서
청구범위
청구항 1
각형 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 장치에 사용되는 권심에 있어서,
전극조립체를 원형으로 와인딩할 수 있는 둘레면을 가진 권심 본체; 및
상기 권심 본체의 외부로 선택적으로 돌출될 수 있도록 상기 권심 본체의 내부에서 반경 방향으로 전,후진 가능
하게 설치되고, 돌출 시 상기 권심 본체에 원형으로 와인딩된 전극조립체에 폴딩 라인을 형성하는 폴딩 척;을
포함하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심.
청구항 2
제1항에 있어서,
상기 폴딩 척은 동시에 상호 정반대 방향으로 작동하는 한 쌍의 폴딩 척 유닛을 구비한 것을 특징으로 하는 각
형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심.
청구항 3
제2항에 있어서,
상기 권심 본체는 각각의 단면 형상이 부채꼴인 복수개의 권심 유닛을 구비한 것을 특징으로 하는 각형 이차전
지의 전극조립체 제조용 권심.
청구항 4
제3항에 있어서,
상기 복수개의 권심 유닛은 상기 전극조립체의 취출 시 권심 외경이 감소하도록 상기 권심 본체의 중심 방향으
로 이동 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심.
청구항 5
제4항에 있어서,
상기 전극조립체의 끝부분을 고정하는 고정 척과 상기 한 쌍의 폴딩 척 유닛은 상호 수직으로 교차하게 배치되
고,
상기 고정 척과 한 쌍의 폴딩 척 유닛에 의해 구획되는 사분 영역에 각각 상기 권심 유닛이 배치된 것을 특징으
로 하는 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심.
청구항 6
각형 이차전지의 전극조립체 제조방법에 있어서,
(a) 양극, 분리막 및 음극의 적층체를 권심의 둘레에 와인딩하여 횡단면 형상이 원형인 전극조립체를 형성하는
단계; 및
(b) 상기 권심의 내부로부터 외부로 폴딩 척을 돌출시켜 상기 원형으로 와인딩된 전극조립체에 폴딩 라인을 형
성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 전극조립체 제조방법.
청구항 7
제6항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,
상기 권심의 내부로부터 반경 방향으로 상기 폴딩 척을 전진시켜 상기 권심의 외부로 돌출시키는 것을 특징으로
하는 각형 이차전지의 전극조립체 제조방법.
등록특허 10-1796282
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청구항 8
제6항에 있어서,
상기 권심은 각각의 단면 형상이 부채꼴인 복수개의 권심 유닛을 구비하고,
상기 단계 (b) 이후 상기 전극조립체의 취출 시, 권심 외경이 감소하도록 상기 복수개의 권심 유닛을 상기 권심
본체의 중심 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 전극조립체 제조방법.
발명의 설명
기 술 분 야
본 발명은 이차전지의 전극조립체 제조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극과 분리막의 적층체를 연속적으[0001]
로 감아서 각형 이차전지에 적용되는 젤리-롤(Jelly roll) 타입의 전극조립체를 형성하는 각형 이차전지의 전극
조립체 제조용 권심 및 이를 이용한 전극조립체 제조방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
일반적으로 각형 이차전지는 각형의 전지 케이스와, 상기 전지 케이스의 상부에 밀봉 결합된 캡 조립체와, 전해[0002]
액과 함께 상기 전지 케이스에 수용된 전극조립체를 포함한다.
전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 교대로 적층된 것으로서, 긴 시트형의 양극들과 음극들이 분리막이 개재[0003]
된 상태에서 권심에 의해 권취되어 실질적으로 젤리-롤 형태를 이룬다.
각형 이차전지의 전극조립체를 제조하기 위한 권심과 관련된 기술은 한국공개특허 제2009-290615호에 개시되어[0004]
있다.
한국공개특허 제2009-290615호는 각형 이차전지용 전극 집합체를 형성하기 위한 권취기용 권심에 관한[0005]
것으로서, 권심 본체의 중심부와 삽입부재에 집합체 장착용의 틈새 구조 등을 개선하여 집합체를 빠르게 협지하
도록 한 것에 기술적 특징이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심(10)은 실질적으로 얇은 육각형 혹은[0006]
타원형의 단면 형상을 갖도록 제작된다. 이러한 권심의 구조는 젤리-롤의 폴딩 라인(Folding line)을 일정하게
형성할 수 있으므로 젤리-롤의 탭(Tab)의 위치를 일정하게 유지하기에 유리한 형상이나, 권심이 회전하면서 전
극이 감기는 선속도의 변화가 심하여 전극 반경이 가장 큰 젤리-롤의 폴딩 라인부에 힘이 집중되고, 전극과 권
심이 접촉될 때 속도가 증가하게 되어 충격량이 커지게 된다. 이에 따라 전극에는 잔류 응력이 작용하게 되고
후속 공정에서 추가적인 응력이 가해질 경우 전극에 파단이 발생할 수 있다.
이를 보완하기 위한 방안으로, 전극이 감기는 선속도가 일정하게 유지되도록 권심을 회전시키는 권취 모터의 회[0007]
전 각속도를 제어하는 방법이 사용되기도 하는데, 이 경우 가속과 감속이 연속적으로 행해지기 때문에 권취 속
도를 높이는 데 한계가 있다.
대안으로는, 일본 특개평 7-226212호는 원통형의 전극군을 형성한 후 그 전극군의 네방향에서 열 프레스기로 각[0008]
각 가압하여 각형의 전극군을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 이와 같이 열 프레스기를 사용하여 각형
전극군을 제조하는 방법은 전극군에 대한 가압 시 전극에 큰 스트레스가 가해져서 크랙 등의 불량이 발생하게
되는 문제점이 있다.
다른 대안으로, 한국공개특허 제2003-100339호는 횡단면 형상이 원형인 권심을 이용한 권회공정으로 원통형부를[0009]
형성하고 그 외부에 직각삼각형의 형상을 가지는 4개의 권심용 지퍼부재를 배치하여 각형권심을 형성함으로써
전극에 스트레스가 가해지는 것을 방지할 수 있는 각형 전지 및 이것의 전극군의 제조방법을 개시하고 있다. 하
지만, 이 제조기술의 경우에도 각형권심에 의해 전극이 권취될 때 전극이 감기는 선속도가 일정하게 유지되지
않는 단점이 있다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 각형 이차전지에 적용되는 전극조립체의 권취 시[0010]
등록특허 10-1796282
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선속도를 일정하게 유지할 수 있도록 구조가 개선된 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심 및 이를 이용한
전극조립체 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극조립체의 취출이 용이하게 이루어지도록 권심의 외경을 선택적으로 감소시킬 수 있[0011]
는 구조를 가진 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심 및 이를 이용한 전극조립체 제조방법을 제공하는 데
있다.
과제의 해결 수단
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 각형 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 장치에 사용되는[0012]
권심에 있어서, 전극조립체를 원형으로 와인딩할 수 있는 둘레면을 가진 권심 본체; 및 상기 권심 본체의 외부
로 선택적으로 돌출될 수 있도록 상기 권심 본체의 내부에서 반경 방향으로 전,후진 가능하게 설치되고, 돌출
시 상기 권심 본체에 원형으로 와인딩된 전극조립체에 폴딩 라인을 형성하는 폴딩 척;을 포함하는 것을 특징으
로 하는 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심을 제공한다.
상기 폴딩 척은 동시에 상호 정반대 방향으로 작동하는 한 쌍의 폴딩 척 유닛을 구비할 수 있다.[0013]
상기 권심 본체는 각각의 단면 형상이 부채꼴인 복수개의 권심 유닛을 구비할 수 있다.[0014]
상기 복수개의 권심 유닛은 상기 전극조립체의 취출 시 권심 외경이 감소하도록 상기 권심 본체의 중심 방향으[0015]
로 이동 가능하게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 전극조립체의 끝부분을 고정하는 고정 척과 상기 한 쌍의 폴딩 척 유닛은 상호 수직으로 교차하게 배치되[0016]
고, 상기 고정 척과 한 쌍의 폴딩 척 유닛에 의해 구획되는 사분 영역에 각각 상기 권심 유닛이 배치될 수
있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 각형 이차전지의 전극조립체 제조방법에 있어서, (a) 양극, 분리막 및 음극의[0017]
적층체를 권심의 둘레에 와인딩하여 횡단면 형상이 원형인 전극조립체를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 권심의 내
부로부터 외부로 폴딩 척을 돌출시켜 상기 원형으로 와인딩된 전극조립체에 폴딩 라인을 형성하는 단계;를 포함
하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 전극조립체 제조방법이 제공된다.
상기 단계 (b)에서는, 상기 권심의 내부로부터 반경 방향으로 상기 폴딩 척을 전진시켜 상기 권심의 외부로 돌[0018]
출시키는 것이 바람직하다.
상기 권심은 각각의 단면 형상이 부채꼴인 복수개의 권심 유닛을 구비하고, 상기 단계 (b) 이후 상기 전극조립[0019]
체의 취출 시, 권심 외경이 감소하도록 상기 복수개의 권심 유닛을 상기 권심 본체의 중심 방향으로 이동시키는
것이 바람직하다.
발명의 효과
본 발명에 따르면 각형 이차전지용 전극조립체의 권취 시 선속도를 일정하게 유지함으로써 종래기술에서 문제가[0020]
되었던 잔류 응력에 의한 전극의 파단 현상을 방지할 수 있다.
또한, 각형 이차전지용 전극조립체를 원형으로 일정 속도로 와인딩함으로써 권취 속도를 높일 수 있으므로 각형[0021]
이차전지에 사용되는 젤리-롤의 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도면의 간단한 설명
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한[0022]
설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사
항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심을 도시한 정면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심을 도시한 정면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심의 동작을 보여주는 정면도
이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
등록특허 10-1796282
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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및[0023]
청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그
자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여
본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와
도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변
하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을
이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심을 도시한 정면도이다.[0024]
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 이차전지의 전극조립체 제조용 권심은 전극조립체를[0025]
원형으로 와인딩할 수 있는 권심 본체(100)와, 권심 본체(100)의 내부에 설치된 폴딩 척(103)을 포함한다.
권심 본체(100)는 긴 시트형의 양극, 분리막 및 음극의 적층체인 전극조립체를 원형으로 와인딩할 수 있는 둥근[0026]
형상의 둘레면을 가진다. 구체적으로, 권심 본체(100)는 각각의 단면 형상이 부채꼴인 복수개의 권심 유닛(10
1)의 조합에 의해 그 둘레면이 실질적으로 원형을 이루도록 구성된다. 복수개의 권심 유닛(101)은 고정 척(10
2)과 한 쌍의 폴딩 척 유닛(103a,103b)에 의해 구획되는 사분 영역에 각각 배치되는 것이 바람직하다. 여기서,
전극조립체의 끝부분을 집어서 고정하는 고정 척(102)과 상기 한 쌍의 폴딩 척 유닛(103a,103b)은 상호 수직으
로 교차하게 배치된다.
권심 본체(100)를 이루는 복수개의 권심 유닛(101)은 전극조립체의 취출 시 권심 외경이 감소하도록 권심 본체[0027]
(100)의 중심 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 복수개의 권심 유닛(101)은 예컨대, 소정의 공압 구동장치에
의해 권심 본체(100)의 중심 방향으로 이동함으로써 전극조립체의 취출이 용이하게 이루어지도록 하고, 전극조
립체의 취출이 완료된 후에는 원위치로 복귀하도록 구동된다.
폴딩 척(103)은 권심 본체(100)의 외부로 선택적으로 돌출될 수 있도록 권심 본체(100)의 내부에서 반경 방향으[0028]
로 전,후진 가능하게 설치된다. 폴딩 척(103)은 예컨대, 통상의 에어 실린더와 같은 구동장치에 연결되어 권심
본체(100)의 내부에서 반경 방향으로 전,후진 슬라이딩 동작을 하게 되고, 전진 시 그 선단이 권심 본체(100)의
외부로 돌출되도록 구성된다.
폴딩 척(103)은 동시에 상호 정반대 방향으로 작동하는 한 쌍의 폴딩 척 유닛(103a,103b)으로 이루어진다. 한[0029]
쌍의 폴딩 척 유닛(103a,103b)은 동시에 권심 본체(100)의 외부로 각각 전진하여 끝부분이 돌출되도록
구성된다.
폴딩 척(103)의 돌출에 의해, 권심 본체(100)에 원형으로 와인딩된 전극조립체의 대칭되는 양편에는 폴딩 라인[0030]
이 형성된다.
상기와 같은 구성을 가진 권심은 각형 이차전지의 전극조립체 제조를 위한 와인딩 장치에 사용된다. 여기서, 권[0031]
심에 회전력을 제공하여 젤리-롤 형태의 전극조립체를 생산하는 와인딩 장치는 통상의 제품이 채용 가능하므로
그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 전극조립체 형성 단계와, 폴딩 라인 형성 단계를 포함하는 각형 이차전지의 전극[0032]
조립체 제조방법이 제공된다.
전극조립체 형성 단계에서는 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 적층체를 권심의 둘레에 연속적[0033]
으로 와인딩한다. 여기서, 권심은 실질적으로 원형의 둘레면을 가진 권심 본체(100)를 구비하므로, 와인딩이 완
료되면 횡단면 형상이 원형인 젤리-롤 형태의 전극조립체가 얻어진다.
폴딩 라인 형성 단계에서는 권심의 내부로부터 외부로 폴딩 척(103)을 돌출시켜 원형으로 와인딩된 전극조립체[0034]
에 폴딩 라인을 형성한다. 이때, 폴딩 척(103)을 이루는 한 쌍의 폴딩 척 유닛(103a,103b)은 동시에 권심의 외
부로 돌출되어 전극조립체의 양편에 폴딩 라인을 형성한다. 폴딩 라인이 형성된 전극조립체는 후속되는 폴딩 공
정에 의해 각형 이차전지에 적용 가능한 각형으로 성형된다.
폴딩 라인 형성 작업이 완료된 이후 전극조립체를 취출하는 공정에서는 분할된 권심 유닛(101)들을 동시에 권심[0035]
본체(100)의 중심 방향으로 이동시켜서 권심의 전체 외경을 감소시킴으로써 용이하게 젤리-롤 형태의 전극조립
체를 취출할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 각형 이차전지용 전극조립체의 권취 시 권심에 의해 전극조립체가 원형으로[0036]
등록특허 10-1796282
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와인딩되므로 선속도를 일정하게 유지할 수 있고, 종래와는 달리 권취 속도의 가감속 조정이 필요치 않으므로
권취 속도를 높일 수 있는 현저한 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며[0037]
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범
위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
부호의 설명
100: 권심 본체 101: 권심 유닛[0038]
102: 고정 척 103: 폴딩 척
103a,103b: 폴딩 척 유닛
도면
도면1
도면2
등록특허 10-1796282
- 7 -
도면3
등록특허 10-1796282
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