APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING CABLE-TYPE SECONDARY BATTERY, AND CABLE-TYPE SECONDARY BATTERY MANUFACTURED ACCORDING TO SAME

도 1은 본 발명에 따른 케이블형 이차전지 제조 장치의 주요 구성예를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 케이블형 이차전지 제조 장치는 로드 형태의 권심(100)과, 권심(100)에 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2) 및 제2 전극 부재(3)를 공급하는 전지 요소 공급수단을 포함한다. 전지 요소 공급수단은 제1 전극 부재(1)를 연속적으로 공급하는 제1 전극 보빈(110)과, 분리막 리본(2)을 연속적으로 공급하는 분리막 보빈(120)과, 제2 전극부재(3)를 연속적으로 공급하는 제2 전극 보빈(130)을 포함한다.

권심(100)은 정해진 길이와 직경을 가진 봉형 로드(Rod)에 의해 구현될 수 있다. 권심(100)은 예컨대, 0.5mm의 작은 직경을 가진 로드에 의해 구성되므로 연선 공정 중 선재의 장력(Tension)으로 인해 휘는 현상을 방지하기 위해 폴리머가 코팅된 소정의 지지 구조물에 접촉되어 지지되는 것이 바람직하다.

제1 전극 보빈(110)은 케이블형 이차전지의 내부전극 형성에 사용되는 제1 전극 부재(1)가 권선되는 보빈이다. 제1 전극 부재(1)는 구리 와이어에 통상의 리튬 이차전지용 음극 활물질이 코팅되어 있는 구조로 이루어진다. 바람직하게, 제1 전극 부재(1)는 나선형으로 연선되어 케이블형 이차전지의 음극을 제공한다.

제1 전극 보빈(110)은 권심(100)을 둘러싸도록 복수개가 소정의 지지대(111)에 일정 간격으로 배치되고, 제1 전극 부재(1)의 권출이 가능하도록 지지대(111)에 각각 회전 가능하게 장착된다. 이를 위해, 지지대(111)에는 각각의 제1 전극 보빈(110)을 지지하기 위한 지지암(111a)이 방사상으로 구비될 수 있다.

분리막 보빈(120)은 케이블형 이차전지의 분리막 형성에 사용되는 분리막 리본(2)이 권선되는 보빈이다. 분리막 리본(2)으로는 리본 형태로 가공된 통상의 리튬 이차전지용 분리막 필름이 채용 가능하다.

제2 전극 보빈(130)은 케이블형 이차전지의 외부전극 형성에 사용되는 제2 전극 부재(3)가 권선되는 보빈이다. 제2 전극 부재(3)는 도체 스트립에 통상의 리튬 이차전지용 양극 활물질이 코팅되어 있는 구조로 이루어진다. 바람직하게, 제2 전극 부재(3)는 나선형으로 연선되어 케이블형 이차전지의 양극을 제공한다.

케이블형 이차전지 제조 장치는 권심(100)의 길이방향을 따라 권심(100)의 둘레에 제1 전극부재(1), 분리막 리본(2) 및 제2 전극부재(3)를 차례대로 연선하도록 동작한다. 이를 위해, 제1 전극 보빈(110), 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)은 권심(100)의 축방향으로 가면서 차례대로 배열되는 것이 바람직하다.

케이블형 이차전지의 제조 장치는 권심(100) 및 상기 전지 요소 공급수단 중 적어도 어느 하나를 회전시켜 권심(100)의 길이방향을 따라 권심(100)의 둘레에 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2) 및 제2 전극 부재(3)를 차례대로 연선한다. 이하에서는 권심(100)은 회전하지 않고 전지 요소 공급수단이 회전하여 케이블형 이차전지를 제조하는 방식을 중심으로 본 발명의 구성을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 권심(100)과 일치하는 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 제1 전극 보빈(110)을 지지하는 지지대(111)와, 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)을 일괄적으로 지지하는 공통 회전프레임(140)을 구비한 케이블형 이차전지 제조 장치가 제공된다. 본 실시예에서, 권심(100)은 축방향으로 전진 이동 가능하게 설치된다.

지지대(111)는 실질적으로 원반 형상의 몸체를 갖도록 구성되고, 제1 전극 보빈(110)을 지지하는 동시에 권심(100) 주위를 따라 상기 제1 전극 보빈(111)을 회전시킴으로써 제1 전극 부재(1)를 권심(100)의 둘레에 연선하는 역할을 한다. 여기서, 권심(100)은 지지대(111)의 중심을 관통하도록 배치되는 것이 바람직하다.

공통 회전프레임(140)은 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)을 지지하는 동시에 권심(100) 주위를 따라 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)을 일체로 회전시킴으로서 분리막 리본(2) 및 제2 전극 부재(3)를 권심(100)의 둘레에 연선하는 역할을 한다. 이때, 분리막 보빈(120)과 제2 전극 보빈(130)은 분리막 리본(2)과 제2 전극 부재(3)의 권출이 가능하도록 공통 회전프레임(140)에 각각 회전 가능하게 장착된다.

공통 회전프레임(140) 상에서 분리막 보빈(120)과 제2 전극 보빈(130)은 권심(100)의 축방향으로 서로 일정거리 이격되게 배치된다. 또한, 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)은 권심(100)을 기준으로 서로 반대되는 양편에 위치하도록 공통 회전프레임(140)에 설치된다. 이를 위해, 공통 회전프레임(140)의 양편에는 각각 소정 형상의 제1 프레임(141)과 제2 프레임(142)이 구비되어 분리막 보빈(120)과 제2 전극 보빈(130)을 지지한다.

분리막 보빈(120)과 제2 전극 보빈(130)은 공통 회전프레임(140)에 의해 권심(100) 주위를 따라 일체로 회전하므로 권심(100)의 둘레에 감기는 각도, 즉 감김 각도의 조절이 각각 독립적으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해, 분리막 보빈(120)을 지지하는 제1 지지봉(120a)과 제2 전극 보빈(130)을 지지하는 제2 지지봉(130a)은 서로 다른 피봇부들(121,131)에 의해 각도 조절을 위한 회동이 가능하게 제1 프레임(141)과 제2 프레임(142)에 각각 설치된다.

상기와 같은 구성을 가진 케이블형 이차전지 제조 장치는 지지대(111) 및 공통 회전프레임(140)이 회전함에 따라 제1 전극 보빈(110), 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)이 권심(100) 주위를 따라 회전하면서 축방향으로 이동하는 권심(100)의 둘레에 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2) 및 제2 전극 부재(3)를 차례대로 연선하는 동작을 수행한다. 이에 따라 권심(100)의 둘레에는 상기 전지 요소들이 길이방향을 따라 연선됨과 아울러 직경방향으로 적층된 와인딩 셀(Winding cell)이 형성된다. 이렇게 제조된 와인딩 셀은 정해진 길이단위로 커팅된 후 권심(100)으로부터 축방향으로 분리되어 취출된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 권심(100)의 축과 일치하는 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 제1 전극 보빈(110)을 지지하는 지지대(111)와, 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)을 각각 지지하는 제1 회전로드(123)과 제2 회전로드(133)를 구비한 케이블형 이차전지 제조 장치가 제공된다. 본 실시예에서, 권심(100)은 축방향으로 이동하지 않게 고정된 상태를 유지한다.

분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)은 권심(100)의 축과 일치하는 회전축을 중심으로 개별적으로 회전 가능하게 설치된 제1 회전로드(123)와 제2 회전로드(133)의 끝부분에 장착되어 상호 독립적으로 회전하게 된다.

상기와 같은 구성을 가진 케이블형 이차전지 제조 장치는 지지대(111)와 제1 회전로드(123) 및 제2 회전로드(133)가 회전함에 따라 제1 전극 보빈(110), 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)이 권심(100) 주위를 회전하면서 권심(100)의 둘레에 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2) 및 제2 전극 부재(3)를 차례대로 연선하는 동작을 수행한다. 이에 따라 권심(100)의 둘레에는 상기 전지 요소들이 길이방향을 따라 연선됨과 아울러 직경방향으로 적층된 와인딩 셀(Winding cell)이 형성된다. 와인딩 셀이 형성된 후에는 권심(100)이 와인딩 셀에서 빠짐으로써 케이블형 이차전지가 얻어진다.

권심(100)에 나선형으로 감기는 전지 요소들 중 제1 전극 부재(1)의 폭과 제2 전극 부재(3)의 폭은 각각 해당 전지 요소의 권취 둘레 길이 보다 작고, 분리막 리본(2)의 폭은 그 권취 둘레 길이보다 크게 설계된다. 여기서, 상기 '폭'은 각 전지 요소들을 그 길이방향에 수직하게 가로지른 최대 거리를 지칭한다. 상기 '권취 둘레 길이'는 해당 전지 요소가 권심(100)의 외부에 나선형으로 권취된 상태에서 권심(100)의 길이방향에 대하여 수직을 이루는 방향으로 측정한 둘레 길이를 지칭한다.

권심(100)의 단면이 원형일 때, 제1 전극 부재(1)와 제2 전극 부재(3) 각각은 관계식, W ＜ D x π를 만족시키도록 설계된다. 여기서, W는 각 전지 요소의 폭, D는 각 전지요소의 권취 내경, π는 원주율을 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 3을 참조할 때, 제1 전극 부재(1)의 폭(W1)은 관계식 W1 ＜ D x π을 만족하고, 제2 전극 부재(3)의 폭(W3)은 관계식 W3 ＜ D x π을 만족한다. 이러한 구성에 따르면 제1 전극 부재(1)와 제2 전극 부재(3)는 각각, 겹침 없이 권심(100)의 둘레에 효율적으로 나선형으로 권취될 수 있다.

예를 들어, 권심(100)의 직경이 0.5mm인 경우, 권심(100)의 바로 외부에 감기는 제1 전극 부재(1)의 권취 내경은 0.5mm가 되므로, 제1 전극 부재(1)의 폭(W1)은 1.57mm(= 0.5mm x 3.14) 이하로 설계된다.

제1 전극 부재(1)의 두께를 0.4mm로 가정할 때 분리막 리본(2)의 권취 내경은 1.3mm(= 2 x 0.4mm + 0.5mm)이므로, 분리막 리본(2)의 폭(W2)을 4.082mm(= 1.3mm x 3.14) 이하로 설계하면 분리막 리본(2)은 겹치지 않게 단일층으로 감길 수 있다.

제1 전극 부재(1)와 제2 전극 부재(3) 간의 쇼트 발생 방지를 위해, 분리막 리본(2)은 적어도 일부가 2층으로 겹쳐지게 감기는 것이 최적이다. 분리막 리본(2)의 폭(W2)은 2층으로 겹쳐지게 감기는 경우 계산식, W ＞ 2D x π를 만족시키도록 설계된다. 여기서, D는 권취 내경, π는 원주율을 나타낸다.

예를 들어, 분리막 리본(2)의 폭(W2)을 8.164mm(= 2 x 1.3mm x 3.14) 보다 큰 값으로 설계하면 분리막 리본(2)은 2층으로 겹쳐지게 감길 수 있다.

권심(100)의 단면이 타원형일 때에는, 권심(100)에 나선형으로 감기는 전지 요소들 중, 제1 전극 부재(1)과 제2 전극 부재(3) 각각의 폭은 관계식, W ＜ L을 만족시키도록 설계된다. 여기서, W는 각 전지 요소의 폭, L은 각 전지요소의 권취 둘레 길이를 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 3을 참조할 때, 제1 전극 부재(1)의 폭(W1)은 관계식 W1 ＜ L을 만족하고, 제2 전극 부재(3)의 폭(W3)은 관계식 W3 ＜ L을 만족한다.

케이블형 이차전지 제조 장치의 작동 시 전극 부재들(1,3) 및 분리막 리본(2)의 효율적인 공급 및 와인딩 처리가 이루어지도록, 제1 전극 부재(1)의 폭(W1)은 0.4~0.5mm, 분리막 리본(2)의 폭(W2)은 7mm 이하, 제2 전극 부재(3)의 폭(W3)은 3mm 이하로 한정되는 것이 바람직하다.

분리막 리본(2)이 권심(100)의 둘레에 빈틈없이 감기기 위해서는 전체 폭의 50% 이하가 겹치도록 연선되는 것이 바람직하다. 이때, 분리막 리본(2)의 감김 각도는 21~24도이고, 상기 제2 전극 부재(3)의 감김 각도는 25~28도로 한정되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 케이블형 이차전지 제조 장치는 케이블형 이차전지를 이루는 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2) 및 제2 전극 부재(3)를 연속적으로 공급하여 권심(100)의 둘레에 내부전극, 분리막 및 외부전극이 차례대로 연선된 와인딩 셀을 형성하는 조립공정을 자동으로 수행함으로써 케이블형 이차전지를 양산할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 로드 형태의 권심 주위에 전지 요소 공급수단으로서 보빈들을 배치하는 공정과, 전지 요소들의 공급과 함께 각각의 보빈들을 회전시켜서 권심(100)의 둘레에 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2), 제2 전극 부재(3)를 차례대로 권취하여 연선하는 공정을 수행하는 케이블형 이차전지의 제조 방법이 제공된다.

보빈 배치 공정에서는 제1 전극 보빈(110), 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)을 각각 정해진 각도로 배치한다. 즉, 스트립 구조의 제1 전극 부재(1)를 연속적으로 공급할 수 있는 제1 전극 보빈(110)과, 분리막 리본(2)을 연속적으로 공급할 수 있는 분리막 보빈(120)과, 스트립 구조의 제2 전극 부재(3)를 연속적으로 공급할 수 있는 제2 전극 보빈(130)을 권심(100)의 주변에 배치한다.

제1 전극 보빈(110), 분리막 보빈(120) 및 제2 전극 보빈(130)에는 각각 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2), 제2 전극 부재(3)가 전지 요소로서 감겨 있다. 여기서, 제1 전극 부재(1)의 폭과 제2 전극 부재(3)의 폭은, 연선 공정에 의해 권심(100)의 둘레에 나선형으로 연선이 되었을 때 겹침이 발생하지 않도록, 각각의 권취 둘레 길이 보다 작은 값을 갖도록 설정된다. 또한, 분리막 리본(2)의 폭은, 연선 공정에 의해 권심(100)의 둘레에 나선형으로 연선이 되었을 때 겹침이 발생하도록, 권취 둘레 길이보다 큰 값을 갖도록 설정된다.

연선 공정에서는 권심(100)의 축과 일치하는 축을 중심으로 제1 전극 보빈(110)을 회전시켜서 권심(100)의 둘레에 스트립 구조의 제1 전극 부재(1)를 나선형으로 권취하여 연선하는 처리와, 권심(100)의 축과 일치하는 축을 중심으로 분리막 보빈(120)을 회전시켜서 제1 전극 부재(1)의 외부에 분리막 리본(2)을 나선형으로 권취하여 연선하는 처리와, 권심(100)의 축과 일치하는 축을 중심으로 제2 전극 보빈(130)을 회전시켜서 분리막 리본(2)의 외부에 스트립 구조의 제2 전극 부재(3)를 나선형으로 권취하여 연선하는 처리를 차례대로 자동으로 수행한다.

본 발명에 따른 케이블형 이차전지의 제조 방법을 수행함에 있어서 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2) 및 제2 전극 부재(3)의 효율적인 공급 및 와인딩 처리를 위한 각 전지 요소들의 폭 관련 수치범위 구성은 상술한 바와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 제조 방법에 의해 제조되어 제1 전극 부재(1), 분리막 리본(2) 및 제2 전극 부재(3)가 차례대로 연선되고 직경 방향으로 상기 전지 요소들이 적층되고, 각 전지 요소들의 폭 관련 수치범위 구성이 상술한 바와 같은 구조를 가진 케이블형 이차전지가 제공된다.