KR20200042801A - 가압 단락 검사와 활성화 공정을 통합적으로 수행할 수 있는 포메이션 장치 - Google Patents

가압 단락 검사와 활성화 공정을 통합적으로 수행할 수 있는 포메이션 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압 단락 검사 공정과 활성화 공정을 통합적으로 수행할 수 있는 포메이션 장치를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 포메이션 장치는, 이차전지 셀들을 적어도 하나씩 삽입할 수 있게 상호 간 소정의 이격 거리를 두고 배열되며 상기 이격 거리가 조절되게 ±X축 방향으로 이동되는 압착 플레이트들; 상기 압착 플레이트들 각각에 장착되어 ±Y축 방향으로 이동하고, 가압 단락 검사 공정 시, 상기 이차전지 셀의 바디 중 미리 정해진 부분을 가압하며 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉하여 테스트 전압을 인가할 수 있게 마련되는 가압 단락 검사조립체들; 및 상기 압착 플레이트들 사이 공간에서 ±Z축 방향으로 상승 또는 하강 가능하게 마련되고, 활성화 공정 시, 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 연결되는 충방전 그립퍼 유닛들을 포함한다.

Description

가압 단락 검사와 활성화 공정을 통합적으로 수행할 수 있는 포메이션 장치{Formation appartus that can integrate pressure short circuit inspection and activation process}
본 발명은, 이차전지용 포메이션 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 패키징 공정이 완료된 파우치형 이차전지 셀의 불량 여부 검사와 활성화 공정을 수행할 수 있는 포메이션 장치에 관한 것이다.
최근 친환경 에너지원으로서 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
상기 리튬 이차전지는 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판 그리고 양극판과 음극판 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 만들고, 상기 전극조립체와 전해액을 금속 캔 또는 파우치 형태의 전지 케이스에 수납하고 밀봉하는 방식으로 조립될 수 있다.
상기 조립 공정이 완료된 이차전지는 방전 상태이므로 충전을 해서 이차전지를 활성화시켜야 전지로서 기능을 할 수 있게 된다. 따라서 이차전지 조립 공정 이후 활성화에 필요한 조건으로 충전 및 방전을 수회 반복하는 활성화 공정을 실시한다.
한편, 이차전지가 자가 방전율 이상의 전압 강하 거동을 보이는 불량을 저전압 불량이라 하는데, 이는 전극조립체 조립 과정에서 분리막의 찢김, 뚫림, 또는 접힘 등으로 인한 분리막 결함에서 비롯되는 것으로 파악된다.
분리막의 결함 유형의 일 예로서, 도 1을 참조하면, 스택 앤 폴딩형 전극 조립체를 제조시 그립퍼(2)를 사용해 분리막(3)과 바이셀(4)을 파지하고 일 방향으로 폴딩시키는 폴딩 공정을 수행하는데, 이때 분리막(3) 가장자리 영역에서 분리막 찢김(5)이 많이 발생한다.
예컨대, 폴딩 완료후 그립퍼(2)를 취출(후진)시 그립퍼(2)의 응력 또는 그립퍼(2)에 묻어있는 이물에 의해 분리막(3)의 가장자리 영역이 찢기거나 구멍이 날 수 있다.
이외에도 전극조립체 적층 과정에서 분리막의 모서리 영역이 안쪽으로 접혀서 해당 부분에서 양극판과 음극판이 바로 마주하게 되거나 양극판과 음극판에 전극판에 전극 탭을 용접시 발생할 수 있는 버(burr)로 인해 분리막에 구멍이 생길 수도 있다.
이와 같이 분리막에 결함이 있는 이차전지는 가능한 초기에 검출해내 폐기하는 것이 불량 셀 유출 방지와 제조 공정 효율성 측면에서 가장 바람직하다.
따라서 이차전지 셀 조립 직후, 바로 이차전지 셀 가압 단락 검사 공정을 실시하고 불량 셀들을 검출하여 폐기 처분한 다음, 활성화 공정을 실시하고 있다. 여기서 상기 가압 단락 검사 공정은 예컨대, 한국등록특허 (제10-1800051호)에 개시된 것처럼 가압판을 사용하여 셀을 가압하고 전류를 인가하여 단락 여부를 확인하여 불량 셀을 검출하는 방식으로 진행될 수 있다.
상술한 가압 단락 검사 공정과 활성화 공정은 이차전지 셀을 가압하는 과정을 포함한다는데 공통점이 있으나 현재 각 공정에서 이차전지 셀을 눌러주는 압력대와 이차전지 셀을 눌러주는데 사용되는 가압판의 기하학적 형상에 차이가 있어 각각 별개 장치로 따로 실시되고 있다. 이에 해당 공정을 위한 관련 설비 구축에 따른 비용이 증가하고 공정 간 이차전지 셀들의 운반, 보관, 설치 등에 따른 수고와 공정 지연 등의 문제가 있다.
따라서 가압 단락 검사 공정과 활성화 공정을 통합적으로 수행할 수 있는 신규 장비를 개발하여 비용 절감과 생산성 향상을 도모하고자 하는 방안이 논의되고 있다.
한국등록특허 제10-1793162호 (2017.11.03) 주식회사 테크네트.
본 발명은 상기와 같은 기술적 배경을 고려하여 창안된 것으로서, 신뢰성 있는 이차전지 셀 가압 단락 검사 공정과 활성화 공정을 통합하여 수행할 수 있는 포메이션 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지 셀들을 적어도 하나씩 삽입할 수 있게 상호 간 소정의 이격 거리를 두고 배열되며 상기 이격 거리가 조절되게 ±X축 방향으로 이동되는 압착 플레이트들; 상기 압착 플레이트들 각각에 장착되어 ±Y축 방향으로 이동하고, 가압 단락 검사 공정 시, 상기 이차전지 셀의 바디 중 미리 정해진 부분을 가압하며 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉하여 테스트 전압을 인가할 수 있게 마련되는 가압 단락 검사조립체들; 및 상기 압착 플레이트들 사이 공간에서 ±Z축 방향으로 상승 또는 하강 가능하게 마련되고, 활성화 공정 시, 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 연결되는 충방전 그립퍼 유닛들을 포함하는 포메이션 장치가 제공될 수 있다.
상기 충방전 그립퍼 유닛은, 상기 전극 리드의 양면을 압지하는 전극 단자부를 구비한 그립퍼 부재; 및 상기 그립퍼 부재를 ±Z축 방향으로 상승 또는 하강시키는 승강 부재를 포함할 수 있다.
상기 그립퍼 부재는 2개의 파트가 집게 구조로 서로 조립되어 마련되는 그립퍼 바디부를 더 구비하고, 상기 전극 단자부는, 상기 2개의 파트 중 어느 하나에 결합되는 제1 전극 단자부와 나머지 하나에 결합되는 제2 전극 단자부를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 단자부와 상기 제2 전극 단자부는 각각 여러 갈래로 분리된 핀들 포함할 수 있다.
상기 압착 플레이트들은, 상기 충방전 그립퍼 유닛이 승하강하는 이동 경로를 형성하는 사이 공간이 확장되게 단차를 구비할 수 있다.
상기 가압 단락 검사조립체들은 상기 이차전지 셀의 바디 중 미리 정해진 부분을 가압하는 셀 가압부; 및 상기 셀 가압부와 일체형으로 마련되고 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 연결되어 테스트 전압을 인가하는 셀 충전부를 포함할 수 있다.
상기 셀 가압부는, 상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 패드 지지대들과 상기 패드 지지대들에 부착되는 가압 패드들을 포함할 수 있다.
상기 셀 충전부는, 상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 단자 지지대들과, 상기 단자 지지대들 중 적어도 어느 하나에 부착되는 전압 단자대를 포함할 수 있다.
상기 단자 지지대는 외압이 작용시 ±X축 방향으로 탄성 운동 가능하게 마련될 수 있다.
상기 가압 단락 검사조립체는, 상기 셀 가압부와 상기 셀 충전부를 하나의 몸체로 연결하여 지지하는 구조 강화 블록부를 더 포함할 수 있다.
상기 구조 강화 블록부는, 상기 압착 플레이트의 상부에서 상기 셀 가압부와 상기 셀 충전부의 상단부를 연결하는 어퍼 블록과 상기 압착 플레이트의 하부에서 상기 셀 가압부와 상기 셀 충전부의 하단부를 연결하는 로워 블록을 포함할 수 있다.
상기 어퍼 블록과 상기 로워 블록은 상기 압착 플레이트의 상단 라인과 하단 라인을 따라 구비되는 제1 LM 가이드 레일에 슬라이드 이동 가능하게 연결되는 제1 LM 슬라이더를 포함할 수 있다.
상기 압착 플레이트들의 하부에서 상기 압착 플레이트들을 X축 방향으로 이동 가능하게 지지하는 서포터 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 서포터 유닛은, 상기 압착 플레이트들의 배열 방향을 따라 연장되고 상기 압착 플레이트들의 양단부 아래에 배치되는 서포터 블록; 상기 서포터 블록의 상단 라인을 따라 구비되는 제2 LM 가이드 레일; 및 상기 압착 플레이트들에 각각 결합하고 상기 제2 LM 가이드 레일을 따라 X축 방향으로 슬라이드 이동하게 연결되는 제2 LM 슬라이더들을 포함할 수 있다.
상기 압착 플레이트들에 대해 양쪽 사이드 영역에 X축 방향을 따라 연장 배치되는 지지 샤프트; 및 상기 압착 플레이트들의 양쪽 사이드 영역에 배치되고, 상기 지지 샤프트가 몸체를 통과하며 상기 압착 플레이트들과 일대일로 결합하는 무빙 블록들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지 셀 가압 단락 검사 장비를 이차전지 셀 활성화를 위한 포메이션 장치에 통합함으로써 가압 단락 검사 공정과 활성화 공정을 하나의 장치로 수행할 수 있다. 따라서 기존에 관련 설비 구축에 따른 비용을 절감할 수 있고 또한 택트 타임(Tact time) 단축으로 생산성이 크게 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 파우치형 이차전지에서 분리막 손상이 우려되는 부위를 가압 단락 검사조립체로 집중적으로 가압하여 양극과 음극의 일시적 단락 상태를 유효하게 유도하고 테스트 전압을 인가할 수 있어 가압 단락 검사 공정의 신뢰성을 높일 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 스택 앤 폴딩 셀의 조립 과정 일부를 나타내는 참고도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사장치의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 평면도이다.
도 4는 도 2의 측면도이다.
도 5는 가압 단락 검사 공정을 수행하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사조립체의 위치를 나타내는 도면이다.
도 6은 셀 가압 공정을 수행하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사조립체의 위치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 단락 검사조립체의 사시도이다.
도 8 내지 도 11은 각각 도 7의 가압 단락 검사조립체의 정면도, 배면도, I-I'에 따른 단면도 및 측면도이다.
도 12는 도 6의 그립퍼 부재의 개략적인 사시도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 압착 플레이트의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 6의 A영역 확대도이다.
도 15 및 도 16은 서포터 유닛, 지지 샤프트, 무빙 블록들과 압착 플레이트들 간의 연결 구조를 나타내는 도면들이다.
도 17은 검사조립체 조정유닛을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포메이션 장치의 개략적인 구성을 도시한 사시도, 도 3은 도 2의 평면도, 도 4는 도 2의 측면도, 도 5는 가압 단락 검사 공정을 수행할 때 가압 단락 검사조립체의 위치를 나타내는 도면이고, 도 6은 활성화 공정을 수행할 때 충방전 그립퍼 유닛의 위치를 나타내는 도면이다.
상기 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포메이션 장치는, 압착 플레이트(10)들과 가압 단락 검사조립체(20), 그리고 충방전 그립퍼 유닛(30)을 포함한다.
압착 플레이트(10)들은 높은 열과 압력에도 변형이 없고 기계적 강성이 높은 판상체로서 이들 사이에 파우치형 이차전지 셀(6)들을 끼워넣고 그 양면을 가압하는 역할을 하는 구성 요소이다.
이를테면, 압착 플레이트(10)들은, 적어도 하나씩의 이차전지 셀(6)을 압착 플레이트(10)들 사이(S)에 삽입할 수 있게, 상호 간 판면이 대향하고 각각 소정의 이격 거리를 두고 일 방향(X축 방향)으로 배열되며 서로 간의 이격 거리가 좁혀지거나 넓어지게 ±X축 방향으로 이동하여 상기 이차전지 셀(6)들을 가압하거나 가압해제 한다.
압착 플레이트(10)들은 기계적 강성이 높은 금속 재질로 제작될 수 있다. 물론, 압착 플레이트(10)는 금속 재질 이외에도 기계적 강성이 우수한 것이라면, 예컨대, 강화 플라스틱, 강화 세라믹 또는 강화 유리 등으로 제작될 수도 있다.
참고로, 압착 플레이트(10)들 사이 공간에 시트 형태의 간지(미도시)가 더 개재될 수 있다. 이차전지 셀(6)들은 상기 간지에 놓여 일정 높이로 지지된 상태에서 그 바디 부분이 압착 플레이트(10)들에 의해 가압될 수 있다. 이처럼 이차전지 셀(6)들의 바디 부분을 전면 가압해 주는 것은 활성화 공정시 충방전에 따른 전극판의 두께 변화 또는 가스 발생으로 인해 이차전지 셀(6)이 팽창하는 것을 억제하고자 함이다.
가압 단락 검사조립체(20)들은, 가압 단락 검사 공정 시, 이차전지 셀(6)의 바디 중 미리 정해진 부분을 가압하고 상기 이차전지 셀(6)의 전극 리드 부분에 접촉하여 테스트 전압을 인가하는 기능을 수행하는 구성 요소이다.
여기서 상기 미리 정해진 부분은 압착 플레이트(10)들 사이에 이차전지 셀(6)이 위치할 때, 그 이차전지 셀(6) 바디의 양쪽 가장자리 부분을 의미할 수 있다. 이차전지 셀(6)의 바디는 전극조립체가 위치해 있어 이차전지 셀(6)의 두께를 형성하는 부분을 위미한다.
다만, 상기 미리 정해진 부분이 상기 이차전지 셀(6) 바디의 양쪽 가장자리 부분에만 반드시 국한되어야 하는 것은 아니다. 즉, 상기 미리 정해진 부분은 셀 바디의 양쪽 가장자리 부분 이외에도 분리막 손상이 의심스러운 상당한 개연성이 있는 다른 부분을 의미할 수도 있다.
가압 단락 검사 공정은 상기 가압 단락 검사조립체(20)로 이차전지 셀(6)의 조립 과정에서 분리막 손상 가능성이 높은 이차전지 셀(6) 바디 중 양쪽 가장자리 부분을 집중 가압하고 테스트 전압 인가시 누설 전류의 발생 여부를 살펴 불량 셀을 검출하는 방식으로 진행될 수 있다.
부연하면, 앞서 기술한 바와 같이, (도 1 참조) 전극조립체 조립시 분리막 손상 가능성이 가장 큰 부분은 분리막의 양쪽 가장자리 부분이다. 손상된 분리막이라도 그 두께만큼 양극판과 음극판이 떨어져 있어 평상시 쇼트가 발생하지 않는다. 그러나 전극 조립체의 가장자리에 압력이 가해지면 손상된 분리막 부분을 사이에 둔 양극판 부분과 음극판 부분이 서로 닿아 쇼트가 발생할 수 있다.
따라서 이차전지 셀(6) 바다의 양쪽 가장자리를 가압한 상태에서 테스트 전압을 인가하면 양품 셀의 경우 인가전압에 도달 시 전류가 감소하며 안정화되지만, 불량 셀을 경우 쇼트가 발생하므로 인가전압을 유지하기 위해 더 많은 전류가 필요하게 된다. 즉, 양극판과 음극판이 쇼트되면 불량 셀에는 누설 전류가 발생하게 된다. 따라서 이때 발생하는 누설 전류 값을 측정하면 양품 셀과 불량 셀을 판별할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가압 단락 검사조립체는, 위와 같은 가압 단락 검사가 가능하도록 설계되어 있다. 즉, 가압 단락 검사조립체는 이차전지 셀(6) 바디 중 가장자리 부분을 집중 가압하는 동시에 전극 리드를 통해 전압을 인가할 수 있게 마련되어 있다.
구체적으로, 도 2와 도 5를 같이 참조하여 보면, 가압 단락 검사조립체(20)들은 압착 플레이트(10)들 하나당 2개씩 설치되되, 상호 대칭적으로 ±Y축 방향으로 이동 가능하게 압착 플레이트(10)들에 장착된다.
이는 가압 단락 검사 공정시 가압 단락 검사조립체(20)들을 사용한 후, 도 6과 같이, 활성화 공정시 가압 단락 검사조립체(20)들을 이차전지 셀(6) 바디와 비대면하는 위치로 이동시켜 이차전지 셀(6) 바디의 전면이 압착 플레이트(10)들에 의해 온전히 가압될 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 본 발명에 따른 포메이션 장치는, 가압 단락 검사조립체(20)들에 이동성을 부여함으로써 가압 단락 검사 공정 시에는 가압 단락 검사조립체(20)들로 이차전지 셀(6) 바디 중 가장자리 부분만 가압하고 활성화 공정 시에는 압착 플레이트(10)들로 이차전지 셀(6)의 바디 전면을 가압하는 것으로 이차전지 셀(6)의 바디 전면 가압과 부분 가압이 모두 가능하다.
도 7 내지 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 가압 단락 검사조립체(20)는 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22) 그리고 구조 강화 블록부(24)를 포함할 수 있다.
셀 가압부(21)는 이차전지 셀(6) 바디 중 미리 정해진 부분을 가압하는 부분이고, 셀 충전부(22)는 전극 리드 부분에 연결되어 테스트 전압을 인가하는 부분이다. 상기 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)는 구조 강화 블록부(24)에 의해 하나의 몸체로 연결되어 일체형으로 마련될 수 있다.
셀 가압부(21)는 압착 플레이트(10)의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 패드 지지대(21a)들과 상기 패드 지지대(21a)들에 각각 부착되는 가압 패드(21b)들을 포함한다. 상기 가압 패드(21b)들은 압착 플레이트(10)에 대해 높이 방향을 따라 연장되고 압착 플레이트(10)의 앞면과 뒷면에 밀착 배치될 수 있다.
따라서 가압 단락 검사조립체(20)를 가압 단락 검사 공정이 가능한 위치에 옮겨 놓고 압착 플레이트(10)들을 ±X 방향으로 이동시킴으로써, 이차전지 셀(6)의 바디 양쪽 가장자리 부분이 셀 가압부(21)의 가압 패드(21b)들에 의해 가압되게 할 수 있다.
이 경우, 가압 모터(M)의 동력이 가압 패드(21b)를 통해 이차전지 셀(6) 바디의 가장자리 영역을 가압하는데 집중되므로 압착 플레이트(10)를 통해 이차전지 셀(6) 바디의 전면을 가압할 때 보다 단위 면적당 압력이 더 커진다.
예컨대, 특정 용량의 가압 모터(M)를 사용해 압착 플레이트(10)로 이차전지 셀(6) 바디의 전면을 가압하면 단위 면적당 약 5kgt/cm2 압력이 작용하게 되지만 가압 패드(21b)로 이차전지 셀(6) 바디의 가장지리 영역을 집중적으로 가압하면 해당 영역에는 단위 면적당 약 34kgf/cm2 압력이 작용할 수 있다. 참고로, 상기 단위 면적당 약 5kgt/cm2의 압력은 셀 가압 공정시 필요한 압력이고 상기 단위 면적당 약 34kgf/cm2의 압력은 가압 단락 검사시 필요한 압력일 수 있다.
셀 충전부(22)는 압착 플레이트(10)의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 단자 지지대(22a)와 단자 지지대(22a)들 중 적어도 어느 하나에 부착되는 전압 단자대(22b)를 포함한다. 단자 지지대(22a)와 전압 단자대(22b)는 압착 플레이트(10)에 대해 높이 방향을 따라 연장되고 압착 플레이트(10)의 앞면과 뒷면에 밀착 배치될 수 있다.
이러한 셀 충전부(22)는 셀 가압부(21)와 일정 거리를 유지하며 구조 강화 블록부(24)에 의해 하나의 몸체로 연결되어 있다. 여기 상기 일정 거리란 이차전지 셀(6) 바디의 가장자리와 전극 리드 사이의 거리에 대응하는 거리이다.
따라서 상술한 바와 같이, 이차전지 셀(6) 바디의 가장자리가 셀 가압부(21)로 가압될 때, 이차전지 셀(6)의 전극 리드는 셀 충전부(22)의 단자 지지대(22a)와 전압 단자대(22b) 사이에서 압박되어 접촉될 수 있다.
특히, 단자 지지대(22a)는 외압이 작용시 ±X축 방향으로 탄성 운동 가능하게 마련될 수 있다. 예컨대, 도 10에 도시한 바와 같이, 단자 지지대(22a)와 후술할 어퍼 블록(25) 또는 로워 블록(26) 사이에 스프링을 개재하여 단자 지지대(22a)가 탄성을 갖도록 할 수 있다. 전압 단자대(22b)는 이러한 단자 지지대(22a)에 부착되므로 이차전지 셀(6)의 전극 리드에 탄성적으로 접촉될 수 있다. 따라서 전압 단자대(22b)와 전극 리드 간의 접촉 신뢰성이 확보될 수 있다.
또한, 가압 단락 검사조립체(20)는 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)의 상부에 배치되고 이차전지 셀(6)이 타고 내려올 수 있는 경사면 또는 곡면 형상으로 마련되는 셀 진입 가이드(23)를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 진입 가이드(23)는 셀 그립핑 아암(미도시)으로 이차전지 셀(6)들을 핍업해서 이차전지 셀(6)들을 압착 플레이트(10)들 사이 공간에 삽입하기 위해 압착 플레이트(10)들 위에 놓을 때 상기 이차전지 셀(6)들이 올바른 위치에 삽입될 수 있게 가이드하는 역할을 할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 가압 단락 검사 공정을 위한 가압 단락 검사조립체(20)의 이동 시 또는 압력 제공시 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)가 틸팅(Tilting)될 수도 있으므로 이에 대한 구조 보강 방안으로서 본 실시예는 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)를 구조 강화 블록부(24)로 연결하여 일체화시켰다.
상기 구조 강화 블록부(24)는 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)의 상단부를 연결하는 어퍼 블록(25)과 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)의 하단부를 연결하는 로워 블록(26)을 포함한다.
도 7 내지 도 9 및 도 11에 도시한 바와 같이, 어퍼 블록(25)은 압착 플레이트(10)의 상부에서 상기 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)의 상단부를 연결하고 로워 블록(26)은 압착 플레이트(10)의 하부에서 상기 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)의 하단부를 연결한다. 이러한 어퍼 블록(25)과 로워 블록(26)은 셀 가압부(21)를 구성하는 패드 지지대(21a) 그리고 셀 충전부(22)를 구성하는 단자 지지대(22a)와 일체로 형성될 수도 있다.
이처럼 셀 가압부(21)와 셀 충전부(22)의 상단부와 하단부가 상기 어퍼 블록(25)과 로워 블록(26)으로 연결되어 지지됨으로써 압착 플레이트(10)를 따라 ±Y 축 방향으로 이동하거나 압착 플레이트(10)와 함께 ±X 축 방향으로 이동하여 이차전지 셀(6)을 가압할 때 틸팅(tilting)이 발생하지 않게 되고 상호 간격이 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 어퍼 블록(25)과 로워 블록(26)에는 각각 제1 LM 슬라이더(27)가 마련될 수 있다. 상기 제1 LM 슬라이더(27)의 직선 이동 경로를 형성하는 제1 LM 가이드 레일(11,12)은 압착 플레이트(10)의 상단 라인과 하단 라인을 따라 구비될 수 있다.
이처럼 압착 플레이트(10)의 상단과 하단에 각각 장착되어 있는 제1 LM 가이드 레일(11,12)에 어퍼 블록(25)의 제1 LM 슬라이더(27)와 로워 블록(26)의 제1 LM 슬라이더(27)가 연결됨으로써 가압 단락 검사조립체(20)가 압착 플레이트(10)에 대해 ±Y 축 방향을 따라 슬라이드 이동할 수 있다.
한편, 충방전 그립퍼 유닛(30)은 활성화 공정 시, 이차전지 셀(6)의 전극 리드에 연결될 수 있다.
즉 활성화 공정 시에는, 도 6과 같이, 압착 플레이트(10)로 이차전지 셀(6)의 바디 전면을 가압할 수 있게 가압 단락 검사조립체(20)를 이차전지 셀(6)과 완전히 대면하지 않는 위치로 이동시켜 놓고 충방전 그립퍼 유닛(30)을 전극 리드에 물려 미리 결정된 전압, 전류를 인가할 수 있도록 한다.
본 실시예의 경우, 충방전 그립퍼 유닛(30)은 압착 플레이트(10)들의 하부 영역에 위치해 있다가 활성화 공정을 수행할 때에 압착 플레이트(10)들 사이 공간으로 상승하여 전극 리드들에 연결될 수 있다.
이러한 충방전 그립퍼 유닛(30)은, 전극 리드에 연결되는 그립퍼 부재(31)와 상기 그립퍼 부재(31)를 ±Z축 방향으로 상승 또는 하강시키는 승강 부재(35)를 포함할 수 있다.
상기 그립퍼 부재(31)는 2개의 파트가 집게 구조로 서로 조립되어 마련되는 그립퍼 바디부(32a,32b)와, 그립퍼 바디부(32a,32b)에 결합되어 전극 리드의 양면을 압지하는 전극 단자부(33)로 구성될 수 있다.
전극 단자부(33)는, 상기 그립퍼 바디부(32a,32b)의 2개의 파트 중 어느 하나에 결합되는 제1 전극 단자부(33a)와 나머지 하나에 결합되는 제2 전극 단자부(33b)를 구성될 수 있다.
그립퍼 바디부(32a,32b)의 2개의 파트는 일측이 서로 맞붙거나 떨어지게 구성되며, 이러한 2개의 파트의 끝단부에 제1 전극 단자부(33a)와 제2 전극 단자부(33b)가 각각 조립될 수 있다.
상기 제1 전극 단자부(33a)와 제2 전극 단자부(33b)는 각각 여러 갈래로 분리된 금속 핀들로 구현될 수 있다. 상기 핀들 중 일부는 전압 단자로 기능하고 나머지 일부는 전류 단자로 기능할 수 있다. 이러한 제1 전극 단자부(33)와 제2 전극 단자부(33)에 전극 리드의 양면이 압지되어 충방전에 필요한 전압과 전류가 인가될 수 있다.
승강 부재(35)는 상기 그립퍼 부재(31)를 지지하며 그립퍼 부재(31)를 승하강 시키는 구성으로서 유압 실린더 또는 공압 실린더로 구현될 수 있다. 이외에도 승강 부재(35)는 그립퍼 부재(31)를 승하강 이동시킬 수 있는 기계적 조합이라면 어떠한 것이 채용되어도 좋다.
본 실시예의 경우, 압착 플레이트(10)들은 그 두께가 일정하나, 이러한 압착 플레이트(10)들의 변형예로써, 도 13과 같이, 압착 플레이트(10')들은 충방전 그립퍼 유닛(30)의 승하강 이동 경로를 형성하는 사이 공간이 확장되게 단차를 구비할 수 있다.
전술한 본 실시예에 따른 압착 플레이트(10)는, 그 두께가 일정하여 전극 리드 연결을 위한, 압착 플레이트(10)들 사이 공간이 좁아 충방전 그립퍼 유닛(30)의 이동 공간 확보가 여의치 않을 수 있다.
그러나 본 변형예에 의하면, 충방전 그립퍼 유닛(30)의 ±Z축 방향 승하강 위치에 대응하는 곳, 즉 압착 플레이트(10')들에서 가장자리 영역의 두께를 가운데 영역의 두께보다 작게 형성하여 단차를 마련함으로써 충방전 그립퍼 유닛(30)이 압착 플레이트(10')들 사이에서 ±Z축 방향으로 이동할 수 있는 여유 공간을 더 확보할 수 있다.
이어서 다시 도 2 내지 도 4와 도 14 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 포메이션 장치의 압착 플레이트(10) 구동 메카니즘을 보충 설명하기로 한다.
본 실시예의 경우, 압착 플레이트(10)들의 하부에 압착 플레이트(10)들을 ±X축 방향으로 이동 가능하게 지지하는 서포터 유닛이 마련될 수 있다.
상기 서포터 유닛(40)은 압착 플레이트(10)들의 배열 방향을 따라 연장되고 상기 압착 플레이트(10)들의 양단부 아래에 각각 배치되는 한 쌍의 서포터 블록(41)과 상기 서포터 블록(41)의 상단 라인을 따라 구비되는 제2 LM 가이드 레일(43), 그리고 압착 플레이트(10)들에 각각 결합하고 상기 제2 LM 가이드 레일(43)을 따라 ±X축 방향으로 슬라이드 이동하게 연결되는 제2 LM 슬라이더(45)들로 구성될 수 있다.
따라서 압착 플레이트(10)들은 이러한 서포터 유닛(40)에 의해 기립된 상태에서 안정적으로 ±X축 방향으로 슬라이드 이동할 수 있게 된다.
또한, 포메이션 장치는, 압착 플레이트(10)들에 대해 양쪽 사이드 영역에 X축 방향을 따라 연장 배치되는 지지 샤프트(50), 상기 압착 플레이트(10)들의 양쪽 사이드 영역에 배치되고 상기 지지 샤프트(50)가 몸체를 통과하며 상기 압착 플레이트(10)들과 일대일로 결합하는 무빙 블록(60)들, 그리고 무빙 블록(60)들을 상호 간 연결하는 링크 부재(70)들을 더 포함할 수 있다.
각각의 상기 무빙 블록(60)들은 압착 플레이트(10)들의 양쪽 사이드 영역을 잡고 지지 샤프트(50)를 따라 ±X축 방향 이동할 수 있다. 무빙 블록(60)들의 부드러운 움직임을 위해 무빙 블록(60)들과 지지 샤프트(50)가 연결되는 부분에는 베어링들이 구비될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 각각의 압착 플레이트(10)들은 양쪽 사이드 영역이 상기 무빙 블록(60)들과 지지 샤프트(50)에 의해 지지될 수 있어 이동시 좌우 방향으로 뒤틀리지 않고 ±X축 방향으로 이동하면서 이차전지 셀(6)을 가압할 수 있다. 또한, 무빙 블록(60)들은 링크 부재(70)들에 의해 상호 간 링크되어 있어 일체로 움직일 수 있다.
다시 도 2 내지 도 4와 도 15를 참조하면, 본 실시예의 포메이션 장치는 상기 압착 플레이트(10)들을 ±X축 방향으로 밀거나 당겨주는 메인 압착 플레이트(80), 그리고 상기 메인 압착 플레이트(80)들로부터 상기 압착 플레이트(10)들에 전달되는 가압력을 흡수하는 완충 유닛(90)을 더 포함할 수 있다.
메인 압착 플레이트(80)는 압착 플레이트(10)들의 배열 방향에 따른 상기 압착 플레이트(10)들 중 최전방에 위치한 압착 플레이트(10)와 일면이 대면하게 연결된다. 또한, 메인 압착 플레이트(80)의 코너 영역에 TM 스크류 샤프트(82,83)들이 연결된다. 상기 TM 스크류 샤프트(82,83)들은 압착 플레이트(10)들의 배열 방향에 따라 연장 배치되고, 그 일단부가 가압 모터(M)에 의해 정역방향으로 회전하는 기어(G)들에 연결되어 있어 정역방향으로 회전할 수 있다. (TM 스크류 샤프트들은 포메이션 장치의 우측편과 좌측편의 위와 아래에 각각 하나씩 총 4개인데, 도 15와 도 16에서는 다른 구성요소들이 잘 나타나도록 TM 스크류 샤프트의 도시를 일부 또는 전부 생략함)
메인 압착 플레이트(80)는 이러한 TM 스크류 샤프트(82,83)들의 정역방향 회전시 전진 또는 후진하도록 TM 스크류 샤프트(82,83)들에 연결된다.
예컨대, 상기 TM 스크류 샤프트(82,83)들을 정방향으로 회전시키면 메인 압착 플레이트(80)가 전진하면서 압착 플레이트(10)들을 +X축 방향으로 밀게 된다. 이때 압착 플레이트(10)들의 최후방은 완충 유닛(90)에 의해 지지되어 있어 메인 압착 플레이트(80)와 완충 유닛(90) 사이의 압착 플레이트(10)들 간의 간격이 점점 좁혀지면서 이차전지 셀(6)들이 가압되게 된다.
반대로 상기 TM 스크류 샤프트(82,83)들을 역방향으로 회전시키면 메인 압착 플레이트(80)가 후진하면서 최전방의 압착 플레이트(10)를 -X축 방향으로 당기게 된다. 이때 압착 플레이트(10)들은 링크 부재(70)들로 서로 연결되어 있어 최전방의 압착 플레이트(10)만 당겨도 모든 압착 플레이트(10)들이 당겨져 -X축 방향으로 이동하게 된다.
상기 완충 유닛(90)은 압착 플레이트(10)들 중 최후방에 위치한 압착 플레이트(10)와 대면하게 연결되는 제1 완충 플레이트(91) 및 제1 완충 플레이트(91)와 탄성 부재(92)들을 사이에 두고 상호 대면하게 이격 배치되는 제2 완충 플레이트(93)를 포함할 수 있다.
이러한 완충 유닛(90)에 의하면, 메인 압착 플레이트(10)(80)에 의해 +X축 방향으로 밀려드는 압착 플레이트(10)들을 탄성적으로 지지할 수 있어 압착 플레이트(10)들이 받게 되는 충격을 효과적으로 완화시킬 수 있다.
한편, 가압 단락 검사조립체(20)들은 전체가 일괄적으로 동시에 정밀하게 움직여야 올바른 검사가 가능하다. 이를 위해 본 발명의 포메이션 장치는 가압 단락 검사조립체(20)들을 일괄적으로 이동시키기 위해 검사조립체 조정유닛(100)을 더 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 4와 도 17을 함께 참조하면, 상기 검사조립체 조정유닛(100)은, 포메이션 장치의 하우징을 형성하는 후방 프레임(106)의 바깥쪽에 위치할 수 있으며, 구동력을 제공하는 조정 모터(101)와, 상기 조정 모터(101)와 연결되고 수직 방향으로 연장 배치되는 수직 샤프트(102), 상기 수직 샤프트(102)와 베벨 기어로 연결되고 수평 방향으로 연장 배치되는 수평 샤프트들(103a~103d)과 상기 수평 샤프트들(103a~103d)에 좌우로 이동 가능하게 연결되는 조정 LM블록들(104a~104d)을 포함할 수 있다.
상기 수평 샤프트들(103a~103d)은 상기 수직 샤프트(102)를 기준으로 상부 영역에서 좌우로 각각 연장 배치되는 제1 수평 샤프트(103a)와 제2 수평 샤프트(103b), 상기 수직 샤프트(102)를 기준으로 하부 영역에서 좌우로 각각 연장 배치되는 제3 수평 샤프트(103c)와 제4 수평 샤프트(103d)를 포함한다.
그리고 상기 조정 LM블록들(104a~104d)은 상기 제1 수평 샤프트(103a)에 연결되는 제1 조정 LM블록(104a), 상기 제2 수평 샤프트(103b)에 연결되는 제2 조정 LM블록(104b), 상기 제3 수평 샤프트(103c)에 연결되는 제3 조정 LM블록(104c), 상기 제4 수평 샤프트(103d)에 연결되는 제4 조정 LM블록(104d)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 조정 LM블록(104a,104b)은 가압 단락 검사조립체(20)들의 어퍼 블록(25)들과 X축 방향으로 연장 배치되는 제1 및 제2 조정 샤프트(미도시)를 매개로 연결될 수 있고, 상기 제3 및 제4 조정 LM블록(104c,104d)은 가압 단락 검사조립체(20)들의 로워 블록(26)과 X축 방향으로 연장 배치되는 제3 및 제4 조정 샤프트(미도시)를 매개로 연결될 수 있다.
도시하지 않았으나, 상기 제1 내지 제4 조정 샤프트는 각각 일측이 제1 내지 제4 조정 LM 블록(104a~104d)에 대응하게 결합되고 상기 후방 프레임(106)의 가이드홀(105)들을 통과하고 어퍼 블록(25)의 바디 또는 로워 블록(26)의 바디에 구비되는 연결공(25a,26a)을 통과하게 마련될 수 있다.
따라서 모든 가압 단락 검사조립체(20)들은 조정 모터(101)에 의해 좌우로 이동하게 되는 제1 내지 제4 조정 블록(104a~104d)에 연결되어 일대일 대응하는 압착 플레이드들에 대해 좌우로 (±Y 축 방향)으로 일괄적으로 이동할 수 있다.
이상과 같은 구조와 작용을 갖는 본 발명의 실시예에 따르면, 가압 단락 검사 공정과 활성화 공정을 하나의 장치로 통합적으로 수행할 수 있기 때문에 기존에 관련 설비 구축에 따른 비용을 절감할 수 있고 택트 타임(Tact time) 단축으로 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존 활성화 공정 시에 필요한 용량의 가압 모터를 사용하더라도 파우치형 이차전지에서 분리막 손상 가능성이 가장 높은 부분을 집중 가압함으로써 (불량 셀의 경우) 양극판과 음극판의 쇼트를 유효하게 유발시킬 수 있는 압력대를 제공할 수 있어 가압 단락 검사 공정의 신뢰성을 높일 수 있다.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10 : 압착 플레이트 11,12 : 제1 LM 가이드 레일
20 : 가압 단락 검사조립체 21 : 셀 가압부
21a : 패드 지지대 21b : 가압 패드
22 : 셀 충전부 22a : 단자 지지대
22b : 전압 단자대 23 : 셀 진입 가이드
24 : 구조 강화 블록부 25 : 어퍼 블록
26 : 로워 블록 27 : 제1 LM 슬라이더
30 : 충방전 그립퍼 유닛 31 : 그럽퍼 부재
40 : 서포터 유닛 41 : 서포터 블록
43 : 제2 LM 가이드 레일 45 : 제2 LM 슬라이더
50 : 지지 샤프트 60 : 무빙 블록
70 : 링크 부재 80 : 메인 압착 플레이트
90 : 완충 유닛 100 : 검사조립체 조정유닛
M : 가압 모터

Claims (15)

  1. 이차전지 셀들에 대한 가압 단락 검사 공정과 활성화 공정을 통합적으로 수행할 수 있는 포메이션 장치로서,
    이차전지 셀들을 적어도 하나씩 삽입할 수 있게 상호 간 소정의 이격 거리를 두고 배열되며 상기 이격 거리가 조절되게 ±X축 방향으로 이동되는 압착 플레이트들;
    상기 압착 플레이트들 각각에 장착되어 ±Y축 방향으로 이동하고, 가압 단락 검사 공정 시, 상기 이차전지 셀의 바디 중 미리 정해진 부분을 가압하며 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉하여 테스트 전압을 인가할 수 있게 마련되는 가압 단락 검사조립체들; 및
    상기 압착 플레이트들 사이 공간에서 ±Z축 방향으로 상승 또는 하강 가능하게 마련되고, 활성화 공정 시, 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 연결되는 충방전 그립퍼 유닛들을 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충방전 그립퍼 유닛은,
    상기 전극 리드의 양면을 압지하는 전극 단자부를 구비한 그립퍼 부재; 및
    상기 그립퍼 부재를 ±Z축 방향으로 상승 또는 하강시키는 승강 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 그립퍼 부재는 2개의 파트가 집게 구조로 서로 조립되어 마련되는 그립퍼 바디부를 더 구비하고,
    상기 전극 단자부는, 상기 2개의 파트 중 어느 하나에 결합되는 제1 전극 단자부와 나머지 하나에 결합되는 제2 전극 단자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극 단자부와 상기 제2 전극 단자부는 각각 여러 갈래로 분리된 핀들 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압착 플레이트들은,
    상기 충방전 그립퍼 유닛이 승하강하는 이동 경로를 형성하는 사이 공간이 확장되게 단차를 구비하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가압 단락 검사조립체들은
    상기 이차전지 셀의 바디 중 미리 정해진 부분을 가압하는 셀 가압부; 및
    상기 셀 가압부와 일체형으로 마련되고 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 연결되어 테스트 전압을 인가하는 셀 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셀 가압부는,
    상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 패드 지지대들과 상기 패드 지지대들에 부착되는 가압 패드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 셀 충전부는,
    상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면에 각각 중첩 배치되는 단자 지지대들과, 상기 단자 지지대들 중 적어도 어느 하나에 부착되는 전압 단자대를 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단자 지지대는 외압이 작용시 ±X축 방향으로 탄성 운동 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 가압 단락 검사조립체는,
    상기 셀 가압부와 상기 셀 충전부를 하나의 몸체로 연결하여 지지하는 구조 강화 블록부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구조 강화 블록부는,
    상기 압착 플레이트의 상부에서 상기 셀 가압부와 상기 셀 충전부의 상단부를 연결하는 어퍼 블록과 상기 압착 플레이트의 하부에서 상기 셀 가압부와 상기 셀 충전부의 하단부를 연결하는 로워 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 어퍼 블록과 상기 로워 블록은 상기 압착 플레이트의 상단 라인과 하단 라인을 따라 구비되는 제1 LM 가이드 레일에 슬라이드 이동 가능하게 연결되는 제1 LM 슬라이더를 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 압착 플레이트들의 하부에서 상기 압착 플레이트들을 X축 방향으로 이동 가능하게 지지하는 서포터 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 서포터 유닛은,
    상기 압착 플레이트들의 배열 방향을 따라 연장되고 상기 압착 플레이트들의 양단부 아래에 배치되는 서포터 블록;
    상기 서포터 블록의 상단 라인을 따라 구비되는 제2 LM 가이드 레일; 및
    상기 압착 플레이트들에 각각 결합하고 상기 제2 LM 가이드 레일을 따라 X축 방향으로 슬라이드 이동하게 연결되는 제2 LM 슬라이더들을 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 압착 플레이트들에 대해 양쪽 사이드 영역에 X축 방향을 따라 연장 배치되는 지지 샤프트; 및
    상기 압착 플레이트들의 양쪽 사이드 영역에 배치되고, 상기 지지 샤프트가 몸체를 통과하며 상기 압착 플레이트들과 일대일로 결합하는 무빙 블록들을 포함하는 것을 특징으로 하는 포메이션 장치.
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