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KR102394740B1 - 이차전지 충방전 장치 - Google Patents

이차전지 충방전 장치 Download PDF

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KR102394740B1
KR102394740B1 KR1020180093226A KR20180093226A KR102394740B1 KR 102394740 B1 KR102394740 B1 KR 102394740B1 KR 1020180093226 A KR1020180093226 A KR 1020180093226A KR 20180093226 A KR20180093226 A KR 20180093226A KR 102394740 B1 KR102394740 B1 KR 102394740B1
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secondary battery
gripper
compression plate
cell
push bar
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KR1020180093226A
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손재형
안창범
채익수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Priority to EP19848654.0A priority patent/EP3748801B1/en
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Abstract

본 발명은 이차전지 충방전 장치를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 이차전지 충방전 장치는, 이차전지의 활성화 공정을 수행하기 위한 충방전 장치로서, 이차전지 셀이 배치되는 셀 삽입 공간을 사이에 두고 각각 대면하게 배치되고 서로 간격이 좁혀지도록 이동하여 상기 이차전지 셀의 바디를 가압하게 마련되는 복수 개의 압착 플레이트들; 각각의 상기 압착 플레이트에 장착되어 상기 압착 플레이트와 일체로 이동하고, 상기 압착 플레이트가 상기 이차전지 셀의 바디를 가압할 때, 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분을 압접하게 마련되는 그립퍼 유닛들; 및 각각의 상기 그립퍼 유닛들에 이웃하게 장착되어 상기 전극 리드와 이웃한 상기 이차전지 셀의 테라스 부위를 가압하게 마련되는 푸쉬바 유닛들을 포함할 수 있다.

Description

이차전지 충방전 장치{Apparatus for charging and discharging secondary battery}
본 발명은, 이차전지 충방전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차전지의 활성화 과정에서 이차전지 셀의 테라스 부위의 부품 현상에 따른 제품 불량률을 현저히 줄일 수 있는 이차전지 충방전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 그 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있다. 그 중 파우치형 이차전지는 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있어 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 파우치형 이차전지에는 전극 조립체가 적층된 형태로 수납되는데, 상기 전극 조립체에는 전극 탭 및 전극 리드가 연결되어 있고, 상기 전극 리드는 파우치 외장재로부터 돌출되어 있다. 이러한 전극 리드는 외부 장치와 접촉을 통해 전기적으로 연결되어 외부장치로부터 전력을 공급받게 된다.
파우치형 이차전지는 셀을 조립하는 과정과 전지를 활성화하는 과정을 거쳐 제조되며, 전지 활성화 단계에서는 충방전 장치에 이차전지 셀을 탑재하고 활성화에 필요한 조건으로 충전 및 방전을 수행하게 된다. 이와 같이, 전지의 활성화를 위해 충방전 장치를 이용해 소정의 충방전을 실시하는 과정을 포메이션(formation) 공정이라고 한다.
이러한 이차전지의 포메이션 공정을 수행하기 위해서는 이차전지가 충방전 장치에 제대로 장착되어야 한다. 즉, 이차전지의 전극 리드가 충방전 장치의 도전부에 접하도록 배치되어 양자가 전기적으로 연결되어야 하고, 충방전이 진행되는 동안에 이러한 전기적 연결 상태가 유지되어야 한다.
이를 위해 이차전지의 충방전 장치는 이차전지 셀을 고정하기 위한 복수 개의 압착 플레이트를 구비하는 것이 일반적이다. 상기 압착 플레이트 2장 사이에 각각 파우치형 이차전지를 끼우고 양측에서 압력을 가하면서, 이차전지의 리드를 통해 전류를 인가하여 충전을 한다.
이와 같이, 압착 플레이트로 이차전지 셀을 눌러줌으로써 충방전 과정에서 가스 발생에 따른 이차전지 셀의 두께 증가를 억제할 수 있다. 이때 발생한 가스는 가스 포켓부에 포집하여 활성화 공정 후 제거한다. 여기서 상기 가스 포켓부는 파우치 외장재의 일부분으로서 활성화 공정에서 가압되는 셀 바디 부분에서 전극 리드에 교차하는 방향으로 연장 형성되어 있는 부분으로 추후 파우치 외장재에서 커팅(cutting)처리될 수 있다.
한편, 종래 기술에 따른 충방전 장치를 사용하여 포메이션 공정을 진행할 때, 이차전지 셀의 두께를 형성하는 이차전지 셀의 바디 부분은 충방전 과정에서 압착 플레이트에 의해 가압될 수 있지만, 파우치 외장재의 실링 부분인 셀 테라스 부분은 셀 바디 부분과 단차가 있어서 압착 플레이트에 의해 가압되지 못하고 있다.
이에 따라, 충방전 과정에서 생성된 가스로 인해 파우치 외장재 내부 압력이 증가하게 되어 이차전지 셀의 테라스 부분의 접착층이 깨어지는 문제점이 발생하고 있다.
즉, 파우치 외장재는 폴리머 재질의 외부 절연층과 내부 접착층, 그리고 외부 절연층과 내부 접착층 사이에 개재된 금속층으로 구성될 수 있는데, 도 1과 같이, 셀 테라스(2b) 부분의 상기 내부 접착층이 깨어져 부풀어 오르는 현상이 발생하고 있다. 이러한 현상으로 인해, 셀 테라스(2b) 부분의 금속층이 노출되어 절연전압 불량이 야기되고 있다. 이는 이차전지 셀의 작동에 심각한 문제들을 유발할 수 있기 때문에 셀 테라스(2b) 부분의 부품 현상을 억제할 수 있는 방안이 시급한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제 10-1714951호 (2017.03.09) 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 충방전 과정에서 이차전지 셀의 테라스 부분의 부품 현상을 억제하여 절연전압 불량을 개선할 수 있는 충방전 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 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 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 활성화 공정을 수행하기 위한 충방전 장치는, 이차전지의 활성화 공정을 수행하기 위한 충방전 장치에 있어서, 이차전지 셀이 배치되는 셀 삽입 공간을 사이에 두고 각각 대면하게 배치되고 서로 간격이 좁혀지도록 이동하여 상기 이차전지 셀의 바디를 가압하게 마련되는 복수 개의 압착 플레이트들; 각각의 상기 압착 플레이트에 장착되어 상기 압착 플레이트와 일체로 이동하고, 상기 압착 플레이트가 상기 이차전지 셀의 바디를 가압할 때, 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉하게 마련되는 그립퍼 유닛들; 및 각각의 상기 그립퍼 유닛들과 이웃하게 상기 압착 플레이트에 장착되어 상기 전극 리드와 이웃한 상기 이차전지 셀의 테라스 부위를 가압하게 마련되는 푸쉬바 유닛들을 포함할 수 있다.
상기 푸쉬바 유닛은, 상기 그립퍼 유닛에 연결되고 상기 압착 플레이트의 상부에 거치되는 푸쉬바 헤드부; 및 상기 푸쉬바 헤드부에서 상기 셀 삽입 공간으로 연장되는 푸쉬바 가압부를 포함할 수 있다.
상기 푸쉬바 가압부는, 상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면 중 적어도 어느 한 곳에 중첩 배치될 수 있다.
상기 푸쉬바 가압부는, 상기 이차전지 셀 테라스 부분의 폭과 길이에 대응하는 막대 형상으로 형성될 수 있다.
상기 푸쉬바 헤드부는, 상부 파트가 상기 셀 삽입 공간 방향으로 경사면 또는 곡면을 갖는 형상을 취하고, 하부 파트는 상기 압착 플레이트의 두께보다 그 폭이 크게 형성될 수 있다.
상기 푸쉬바 헤드부의 상부 파트와, 상기 상부 파트에 대면하는 상기 그립퍼 유닛의 일부분에는 볼트가 통과되는 볼트 통과홀이 형성될 수 있다.
상기 그립퍼 유닛은, 상기 압착 플레이트의 상부에 거치되는 그립퍼 헤드부; 및 상기 그립퍼 헤드부에서 상기 셀 삽입 공간까지 연장되는 그립퍼 가압부를 포함할 수 있다.
상기 그립퍼 가압부는, 상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면 중 적어도 어느 한 곳에 중첩 배치될 수 있다.
상기 그립퍼 가압부는, 상기 압착 플레이트의 앞면에 밀착되게 배치되고 탄성적으로 변형되는 플레이트 조립체 형태로 구성되는 제1 그립퍼 가압부와, 상기 압착 플레이트의 뒷면에 밀착되게 배치되고 박형의 플레이트 형태로 구성되는 제2 그립퍼 가압부를 포함할 수 있다.
금속 막대 형태로서 상기 전극 리드와 접촉하여 전류를 인가하는 전류 단자와 전압을 검출하는 전압 단자가 상기 제1 그립퍼 가압부에 장착될 수 있다.
상기 전류 단자와 상기 전압 단자는 격자 패턴으로 형성된 노치를 구비할 수 있다.
상기 그립퍼 헤드부는 상기 그립퍼 가압부의 상부에 위치하고 상기 셀 삽입 공간 방향으로 경사면 또는 곡면을 갖는 캡부재를 포함할 수 있다.
상기 그립퍼 헤드부는, 상기 그립퍼 가압부를 지지하며 상기 압착 플레이트의 상단을 따라 슬라이드 이동 가능하게 마련될 수 있다.
상기 그립퍼 유닛과 상기 푸쉬바 유닛은 각각 상기 압착 플레이트의 길이 방향에 따른 상기 압착 플레이트의 양쪽 가장자리에 하나씩 2개가 설치될 수 있다.
상기 이차전지 셀을 상기 셀 삽입 공간으로 안내하기 위해 각각의 상기 압착 플레이트의 상부에 미리 지정된 위치마다 설치되는 셀 진입 가이드들을 더 포함하고, 상기 셀 진입 가이드들은, 상기 압착 플레이트의 상단으로부터 소정 높이만큼 돌출된 형태를 취하며, 상기 셀 삽입 공간을 향하는 방향으로 경사면 또는 곡면 형상을 갖도록 마련될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지 셀의 활성화를 위한 충방전 과정에서 이차전지 셀의 테라스 부분의 부품 현상을 억제하여 절연전압 불량율을 개선할 수 있는 충방전 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 그립퍼 유닛과 푸쉬바 유닛의 위치를 조절함으로써 사이즈가 다른 규격의 이차전지 셀에도 충방전을 수행할 수 있어 장치 호환성이 높다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 이차전지 셀들을 충방전 장치에 탑재시 이차전지 셀들이 셀 진입 가이드에 의해 가이드 됨으로써 이차전지 셀들을 정위치에 효율적으로 로딩시킬 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 포메이션 공정을 거친 파우치형 이차전지 셀의 테라스 부분을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 장치의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 상면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그립퍼 유닛의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 푸쉬바 유닛의 사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그립퍼 유닛과 푸쉬바 유닛의 조립 전/후 상태를 도시한 사시도들이다.
도 8은 도 7의 그립퍼 유닛과 푸쉬바 유닛을 다른 각도에서 바라본 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 그립퍼 유닛과 푸쉬바 유닛이 장착된 2개의 압착 플레이트들의 측면도이다.
도 10 및 도 11는 본 실시예에 따른 압착 플레이트의 뒷쪽과 앞쪽을 각각 도시한 도면들이다.
도 12는 도 11의 주요 부분 확대도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 가압 전/후 그립퍼 유닛과 푸쉬바 유닛 부분의 상면 확대도이다.
도 15는 도 11에 대응하는 도면으로서, 도 11의 이차전지 셀과 규격이 다른 이차전지 셀을 탑재한 때 압착 플레이트의 앞쪽을 도시한 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.
이하에서 설명하는 본 발명에 따른 이차전지 충방전 장치는, 조립이 완료된 후 활성화되지 않은 상태의 이차전지 셀을 충방전하여 활성화시키기 위한 장치를 의미한다. 상기 이차전지 충방전 장치는 주로 이차전지 셀의 활성화에 사용될 뿐만아니라 이차전지 셀의 성능 테스트, 예컨대 셀의 단락 여부를 검사하는데 사용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 장치의 개략적인 구성을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 상면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 장치(1)는 복수 개의 압착 플레이트(10)들, 그립퍼 유닛(20)들, 그리고 푸쉬바 유닛(30)들을 포함하여 구성될 수 있다.
충방전 과정에서 이차전지 셀(2)은 양극판과 음극판의 팽창 또는 가스 발생으로 인해 부풀어 오르는 스웰링(swelling)이 발생할 수 있다. 상기 압착 플레이트(10)들은 충방전 과정에서 이러한 이차전지 셀(2)들을 가압하여 스웰링을 막아주는 역할을 한다.
압착 플레이트(10)들은 각각 상호 대면하여 소정 거리 이격 배치되고, 상기 이격 공간이 좁혀지거나 넓어지게 각각 (±X축 방향으로)이동하도록 구성된다. 여기서 상기 이격 공간은 적어도 하나의 이차전지 셀(2)이 삽입될 수 있을 정도이다. 이하에서 상기 이격 공간을 셀 삽입 공간(S)이라 정의하기로 한다.
도 2와 같이, 비활성 상태로 가스 포켓부(2d)를 구비한 이차전지 셀(2)들은 픽업 장비로 운반되어 각각의 압착 플레이트(10)들 사이에 형성되어 있는 셀 삽입 공간(S)들 속에 각각 하나씩 끼워 넣어져 배치될 수 있다.
이때 간지(12)를 사용하여 상기 이차전지 셀(2)을 일정 높이로 떠받히며 가압시 셀 바디(2a)면을 보호할 수 있다. 상기 간지(12)는 (도 9 참조) 일부분이 압착 플레이트(10)의 상부에 핀으로 고정될 수 있으며, 상기 핀으로 고정된 부분 사이는 접혀서 각각의 셀 삽입 공간(S)에 개재될 수 있다.
압착 플레이트(10)들은 상기 간지(12)로 떠받혀져 있는 이차전지 셀들의 바디(2a)를 가압하거나 가압 해제하는 동작을 수행하게 된다. 이러한 압착 플레이트(10)들은 높은 열과 압력에도 변형이 없도록 기계적 강성이 높은 금속 재질로 마련되는 것이 바람직할 수 있다. 물론, 본 발명의 권리범위가 금속 재질의 압착 플레이트(10)로 한정되어야 하는 것은 아니다. 예컨대, 압착 플레이트(10)는 스테인리스 스틸을 비롯해 강화 플라스틱, 강화 세라믹 또는 강화 유리 등으로 제작될 수도 있다.
참고로, 도면의 편의상 도시하지 않았으나, 압착 플레이트(10)들은 그 하부 영역에 X축 방향으로 연장되어 있는 샤프트를 따라 병진 운동 가능하게 연결되고 상기 샤프트의 일단에는 기어들이 연결되며, 이들 기어들에는 구동모터가 연결될 수 있다. 이외에도 이차전지 셀(2)을 가압하는 방향으로 압착 플레이트(10)들을 이동시킬 수 있는 구동 메카니즘을 갖는 기계적 조합이라면 어떠한 기계적 조합을 채용해도 좋다.
그립퍼 유닛(20)들은 파우치형 이차전지들의 전극 리드(2c)들과 접촉하여 이차전지 셀(2)에 전류를 인가하거나 전압을 검출하는 역할을 하는 구성요소이다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 그립퍼 유닛(20)들은, 압착 플레이트(10)와 일체로 이동하도록 각각의 압착 플레이트(10)들에 장착될 수 있게 마련된다.
자세히 후술하겠으나, 그립퍼 유닛(20)들은 압착 플레이트(10)들과 함께 이동하여 서로 간의 간격이 좁아져 그 사이에 위치한 이차전지 셀(2)의 전극 리드(2c) 부분을 압접할 수 있게 구성되어 있다.
본 실시예에 따른 그립퍼 유닛(20)들은 푸쉬바 유닛(30)과 함께 압착 플레이트(10)들의 상단 양쪽 가장자리에 하나씩 2개가 거치될 수 있다. 이들 그립퍼 유닛(20)들이 압착 플레이트(10) 상에 거치되는 곳은 상기 이차전지 셀(2)의 전극 리드(2c) 위치에 따라 결정될 수 있는데, 이는 그립퍼 유닛(20)으로 이차전지 셀(2)의 전극 리드(2c)를 X축 방향으로 압접하기 위함이다. 즉 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 압착 플레이트(10)들 사이에 삽입 배치된 이차전지 셀(2)들의 전극 리드(2c)들과 그립퍼 유닛(20)들은 X축 방향으로 서로 대응하는 위치에 놓여, 압착 플레이트(10)들이 이차전지 셀(2)들의 바디(2a)를 가압할 때, 서로 접촉하게 된다.
상기 그립퍼 유닛(20)을, 도 4를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 그립퍼 유닛(20)은 압착 플레이트(10)의 상부에 거치되는 그립퍼 헤드부(21)와, 상기 그립퍼 헤드부(21)에 연결되고 셀 삽입 공간(S)까지 아래로 연장되는 그립퍼 가압부(24)를 포함할 수 있다.
상기 그립퍼 헤드부(21)는 그립퍼 가압부(24)를 지지하며 압착 플레이트(10)의 상단 라인을 따라 슬라이드 이동하게 마련되는 블럭부재(23)와, 그립퍼 가압부(24)의 상부에 마련되어 전극 리드(2c) 부분의 가이드하는 캡부재(22)를 포함할 수 있다.
블럭부재(23)는 압착 플레이트(10)의 상단을 부분적으로 감싸는 형태로 압착 플레이트(10) 위에 거치될 수 있으며, 압착 플레이트(10)의 상단을 따라 좌우(±Y축 방향)로 슬라이드 이동할 수 있다.
이를테면, 압착 플레이트(10)의 상단에는 상기 블럭부재(23)의 거치 및 LM 가이드 레일로 사용할 수 있는 그립퍼 거치대가 설치될 수 있고, 블럭부재(23)는 상기 그립퍼 거치대에 좌우로 이동 가능하게 장착되는 LM 블럭 형태로 구성될 수 있다. 물론, 압착 플레이트(10)의 상단에 그립퍼 거치대를 설치하지 않고, 압착 플레이트(10)의 상단을 LM 가이드 레일 형상으로 구성해도 무방하다.
캡부재(22)는 그립퍼 가압부(24)의 셀 삽입 공간(S) 방향으로 경사면 또는 곡면을 갖는 형상으로 마련될 수 있으며, 이차전지 셀(2)들의 상기 압착 플레이트(10)들 사이에 삽입시킬 때, 전극 리드(2c) 부분을 가이드하는 역할을 할 수 있다.
예컨대, 셀 픽업 지그에 의해 이차전지 셀(2)이 상기 셀 삽입 공간(S)으로 수직 하강할 때, 전극 리드(2c) 부분은 이웃한 2개의 캡부재(22)들 사이로 안내될 수 있으며, 이때 로딩 위치상에 약간의 오차가 있더라도 전극 리드(2c)가 캡부재(22)의 경사면 또는 곡면을 타고 셀 삽입 공간(S)으로 안내될 수 있어 전극 리드(2c)의 손상이 방지될 수 있다.
그립퍼 가압부(24)는, 그립퍼 헤드부(21)에서 아래로 연장되어 압착 플레이트의 앞면(10a)과 뒷면(10b) 중 적어도 어느 한 곳에 중첩 배치되는 부분으로 충방전 과정에서 전극 리드(2c) 부분을 가압하여 고정시키는 역할을 한다.
본 실시예에 따른 그립퍼 가압부(24)는, 도 4, 도 8 내지 도 12를 같이 참조하면, 제1 그립퍼 가압부(24a)와 제2 그립퍼 가압부(24b)를 포함할 수 있다.
상기 제1 그립퍼 가압부(24a)와 제2 그립퍼 가압부(24b)는 소정 간격을 두고 그립퍼 헤드부(21)의 전/후면에서 수직으로 연장되어 있어 이들 사이에 빈 공간(O)이 존재하게 되며, 도 9와 같이, 압착 플레이트(10)가 상기 빈 공간(O)에 위치할 수 있다.
이와 같이, 그립퍼 유닛(20)은 제1 그립퍼 가압부(24a)와 제2 그립퍼 가압부(24b)가 압착 플레이트(10)의 양쪽에 배치되어 있기 때문에 그립퍼 헤드부(21)가 압착 플레이트(10)의 상단에서 일측으로 기울지 않고 보다 안정적으로 거치될 수 있다.
제1 그립퍼 가압부(24a)는 압착 플레이트의 앞면(10a)에 밀착되게 배치되고 탄성적으로 변형되는 플레이트 조립체 형태로 구현될 수 있고, 제2 그립퍼 가압부(24b)는 압착 플레이트의 뒷면(10b)에 밀착되게 배치되는 박형의 플레이트 형태로 구현될 수 있다.
본 실시예에서, 도 9, 도 13 및 도 14를 참조하면, 이웃한 2개의 압착 플레이트(10)에 설치되어 있는 2개의 그립퍼 유닛(20) 중 어느 하나의 그립퍼 유닛(20)의 제1 그립퍼 가압부(24a)와 다른 하나의 그립퍼 유닛(20)의 제2 그립퍼 가압부(24b)는 서로 대면하는 위치에 있다. 따라서 2개의 압착 플레이트(10)가 서로 가까이 이동하게 되면 상기 제1 그립퍼 가압부(24a)는 상기 제2 그립퍼 가압부(24b)에 의해 밀려 들어갈 수 있다. 그리고 2개의 압착 플레이트(10)가 다시 멀어지면 제1 그립퍼 가압부(24a)는 원상태로 복원될 수 있다.
이러한 상기 제1 그립퍼 가압부(24a)에 이차전지 셀(2)에 전류를 인가하기 위한 전류 단자(25)와 전압을 검출하기 위한 전압 단자(26)를 장착함으로써, 전극 리드(2c)에 대한 접촉력을 높이면서 가압시 전극 리드(2c)에 가해지는 충격을 완화시킬 수 있다.
상기 전류 단자(25)와 전압 단자(26)는 금속재질의 막대 형태로 구현될 수 있으며, 그 하부에는 전류를 공급하기 위한 케이블(미도시)이 연결될 수 있다. 이러한 전류 단자(25)와 전압 단자(26)는, 도 12에 도시한 바와 같이, 서로 나란하게 제1 그립퍼 가압부(24a)의 표면에 수직하게 장착되어, 압착 플레이트(10)들이 이차전지 셀(2)들을 가압할 때, 전극 리드(2c)와 접촉할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 상기 전류 단자(25)와 전압 단자(26)는 격자 패턴으로 형성된 노치를 더 구비할 수 있다. 이와 같이, 전류 단자(25)와 전압 단자(26)의 접촉면에 격자 패턴의 노치를 성형함으로써 전극 리드(2c)의 미끌림을 저지하여 접촉력을 더 강화시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 장치(1)는 푸쉬바 유닛(30)들을 더 포함할 수 있다. 상기 푸쉬바 유닛(30)들은 충방전 과정에서 이차전지 셀(2)들의 테라스(2b) 부위를 가압하여 해당 부위의 부품 현상을 억제하는 역할을 하는 구성요소이다. 여기서 상기 이차전지 셀의 테라스(2b) 부위란 열융착된 파우치 외장재의 테두리 부분으로서 전극 리드(2c)가 빠져나오는 부분을 지칭한다. 이러한 전극 리드(2c)와 셀 테라스(2b) 부분의 위치상 푸쉬바 유닛(30)들은 그립퍼 유닛(20)들에 바로 이웃하게 장착되어 그립퍼 유닛(20)들과 일체로 이동할 수 있게 마련된다.
구체적으로, 도 5 내지 도 7을 참조하여 푸쉬바 유닛(30)을 살펴보면, 푸쉬바 유닛(30)은 그립퍼 헤드부(21)에 연결되고 압착 플레이트(10)의 상부에 거치되는 푸쉬바 헤드부(31)와, 상기 푸쉬바 헤드부(31)에서 셀 삽입 공간(S)으로 연장되는 푸쉬바 가압부(34)를 포함할 수 있다.
상기 푸쉬바 헤드부(31)를 상부 파트(32)와 하부 파트(33)로 구분할 때, 상부 파트(32)는 전술한 그립퍼 헤드부(21)의 캡부재(22)와 같이 셀 삽입 공간(S) 방향으로 경사면 또는 곡면을 갖는 형상으로 마련될 수 있다.
그리고 도 6과 같이, 푸쉬바 헤드부(31)의 상부 파트(32)와, 그립퍼 유닛(20)의 캡부재(22)에 볼트(B)가 통과하는 볼트 통과홀(22a,32a)을 형성하여 볼트(B)를 끼워넣고 너트로 조여 푸쉬바 헤드부(31)를 그립퍼 헤드부(21)에 고정시킬 수 있다. 이때 푸쉬바 헤드부(31)의 상부 파트(32)를 캡부재(22)와 같은 형상으로 맞붙임으로써, 이차전지 셀(2) 삽입시 전극 리드(2c) 인접 부분까지 가이드 영역을 확장시킬 수 있다.
하부 파트(33)는 그 폭이 압착 플레이트(10)의 두께보다 크게 형성될 수 있고 상기 폭 방향에 따른 하부 파트(33)의 적어도 일 측면에 푸쉬바 가압부(34)가 장착될 수 있다. 이 경우, 푸쉬바 가압부(34)는 상기 하부 파트(33)의 적어도 일 측면에서 아래로 연장되어 전술한 그립퍼 가압부(24)와 나란하게 압착 플레이트의 앞면(10a)과 뒷면(10b) 중 적어도 어느 한 곳에 중첩 배치될 수 있다.
이를테면, 푸쉬바 가압부(34)는, 다시 도 7 및 도 10 내지 도 12를 참조하면, 상기 푸쉬바 헤드부(31)의 하부 파트(33) 좌측면에서 아래로 연장되어 제1 그립퍼 가압부(24a)와 나란하게 압착 플레이트의 앞면(10a)에만 중첩 배치될 수 있다. 이는 본 실시예에 적용한 파우치 외장재의 포밍 형태에 따른 것이다.
부연하면, 파우치형 이차전지 셀(2)은 파우치 외장재 내부에 전극 조립체를 수납할 공간을 마련하기 위해 2장의 파우치 시트 중 한 장을 오목하게 포밍한 후 테두리를 실링하는 방식과, 2장 모두 오목하게 포밍한 후 테두리를 실링하는 방식을 채용하여 제작될 수 있는데, 상기 2가지 방식에 따라 이차전지 셀(2)의 바디(2a)와 셀 테라스(2b)의 단차가 다르게 형성될 수 있다. 본 실시예와 같이, 전자의 방식을 채용한 파우치형 이차전지 셀(2)을 활성화할 경우에는 하나의 푸쉬바 가압부(34)를 구비한 푸쉬바 유닛(30)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 반면, 후자의 방식을 채용한 파우치형 이차전지 셀(2)을 활성화할 경우라면, 푸쉬바 헤드부(31)의 양 측면에 하나씩 2개의 푸쉬바 가압부(34)를 결합하여 그 셀 테라스(2b)의 양면을 가압할 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 푸쉬바 가압부(34)는 셀 테라스(2b) 부분에 대응할 수 있는 폭(T)과 길이를 갖는 막대 형상으로 구현될 수 있으며, 셀 테라스(2b)에 직접 접촉하는 부분임을 감안하여 에폭시(epoxy) 재질로 제작할 수 있다. 물론, 본 발명의 권리범위가 에폭시 재질의 푸쉬바 가압부(34)에 한정되어서는 아니된다. 예컨대 푸쉬바 가압부(34)는 절연성, 내열성, 기계적 강성 등을 갖는 것이라면 어떠한 재질을 채용해서 제작해도 좋다.
이하에서는, 도 13 및 도 14를 주로 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀(2)의 전극 리드(2c) 및 셀 테라스(2b) 부분을 가압하기 위한 가압 프로세스를 간략히 정리하여 설명하기로 한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀(2)의 가압 전/후 그립퍼 유닛(20)과 푸쉬바 유닛(30) 부분의 상면 확대도이다.
먼저, 활성화 공정을 수행할 이차전지 셀(2)의 길이에 맞게 압착 플레이트(10)의 상단 라인에 그립퍼 유닛(20)들의 위치를 세팅한다. 이때 푸쉬바 유닛(30)은 그립퍼 유닛(20)에 결합되어 있으므로 별도의 조작이 필요하지 않는다. 그 다음 셀 픽업 장비로 이차전지 셀(2)들을 지정된 압착 플레이트(10)들 사이 사이에 로딩시킨다.
로딩된 이차전지 셀(2)은, 도 12에 도시한 바와 같이, 전극 리드(2c) 부분이 제1 그립퍼 가압부(24a)의 앞쪽(X축 방향)에 위치하게 되고, 셀 테라스(2b) 부분은 푸쉬바 가압부(34)의 앞쪽에 위치하게 된다. 이 상태에서 구동모터를 작동시켜 압착 플레이트(10)로 이차전지 셀(2)을 가압한다.
이에 따라 2개의 압착 플레이트(10)에 의해 이차전지 셀의 바디(2a)가 압착될 때, 도 13 내지 도 14에 도시한 바와 같이, 전극 리드(2c) 부분은 2개의 그립퍼 가압부(24)들 사이에 압착되고 셀 테라스(2b) 부분은 압착 플레이트(10)와 푸쉬바 가압부(34) 사이에 압착되며 셀 바디(2a) 부분은 2개의 압착 플레이트(10)들 사이에 압착되게 된다.
보다 구체적으로 말하면, 전극 리드(2c) 부분은 제1 그립퍼 가압부(24a)에 구비되어 있는 전류/전압 단자(25,26)에 접촉되고 제2 그립퍼 가압부(24b)에 의해 가압될 수 있다. 특히 제1 그립퍼 가압부(24a)가 제2 그립퍼 가압부(24b)에 의해 가압되면서 탄성적으로 밀려들어 가게 되어 있어 전류/전압 단자(25,26)와 전극 리드(2c) 간의 접촉시 충격이 흡수될 수 있으며, 제1 그립퍼 가압부(24a)의 탄성 복원력이 작용해 접촉 상태가 안정적으로 유지될 수 있다.
그리고 셀 테라스(2b) 부분은 그 일면이 압착 플레이트(10)에 접촉되고 그 타면은 푸쉬바 가압부(34)에 접촉된 상태로 압착될 수 있다. 즉, 푸쉬바 가압부(34)는 셀 바디(2a)와 셀 테라스(2b)의 두께에 따른 단차를 보상할 수 있도록 압착 플레이트(10)보다 X축 방향으로 더 돌출되어 있으므로 셀 테라스(2b) 부분을 가압할 수 있다. 이와 같이, 셀 테라스(2b) 부분이 가압될 수 있게 됨으로써 이후 충방전 과정에서 이차전지 셀(2) 내부에서 다량의 가스가 발생하더라도 셀 테라스(2b) 부분이 부풀어 오르는 것을 방지할 수 있다. 따라서 종래 충방전 과정에서 셀 테라스(2b) 부분이 부풀어 올라 절연층이 깨어짐으로 야기되는 절연전압 불량률을 현저히 줄일 수 있다.
참고로, 도 2의 이차전지 셀(2)보다 사이즈가 작은 이차전지 셀(2)을 상기 압착 플레이트(10)들 사이에 삽입 배치할 경우, 도 15에 도시한 바와 같이, 그립퍼 유닛(20)들과 푸쉬바 유닛(30)들을 압착 플레이트(10)들의 상단 가장자리에서 가운데 방향으로 치우친 위치로 옮겨 이차전지 셀(2)들의 전극 리드(2c)와 셀 테라스(2b)에 접촉시킬 수 있다. 또한, 도시하지 않았으나, 본 실시예의 이차전지 셀(2)은 전극 리드(2c)가 양방향이나, 전극 리드(2c)가 단방향인 이차전지 셀(2)에도 그립퍼 유닛(20)과 푸쉬바 유닛(30)을 압착 플레이트(10)의 한쪽 가장자리에만 설치한 형태의 충방전 장치(1)가 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 장치(1)는 각각의 압착 플레이트(10)들의 상부에 미리 지정된 위치마다 설치되는 적어도 하나 이상의 셀 진입 가이드(40)들을 더 포함할 수 있다.
상기 셀 진입 가이드(40)들은, 이차전지 셀(2)들을 각각 압착 플레이트(10)들 사이사이에 로딩시킬 때, 각각의 이차전지 셀(2)들이 대응하는 셀 삽입 공간(S) 속으로 정확히 유도될 수 있게 안내하는 역할을 한다.
셀 진입 가이드(40)는, 도 2, 도 3 및 도 10에 도시한 바와 같이, 압착 플레이트(10)의 상단으로부터 소정 높이만큼 돌출된 형태를 취하며, 셀 삽입 공간(S)을 향하는 방향으로 경사면 또는 곡면을 갖는 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 상기 셀 진입 가이드(40)는 압착 플레이트(10)의 상단 라인을 따라 좌우로 슬라이드 이동될 수 있게 압착 플레이트(10)의 상단에 설치될 수 있다.
예컨대, 셀 진입 가이드(40)는 내열성과 강도가 우수한 나일론계 플라스틱 재질(PA66) 또는 섬유 강화 플라스틱 재질(GF66)로 제작될 수 있다.
이와 같은 셀 진입 가이드(40)에 의하면, 이차전지 셀(2)의 로딩시 약간의 오차가 있더라도 이차전지 셀(2)이 셀 진입 가이드(40)의 경사면 또는 곡면을 타고 내려올 수 있어 셀 로딩 위치상의 오차가 보상될 수 있다. 이에 따라 이차전지 셀(2) 로딩 공정이 수월해질 수 있으며, 또한 이차전지 셀(2) 로딩 과정에서 압착 플레이트(10)의 상단에 부딪히거나 벗어나서 생길 수 있는 셀 손상을 방지할 수 있다.
본 실시예는 총 4개의 셀 진입 가이드(40)가 압착 플레이트(10)의 상단에 설치되어 있는데, 이는 로딩되는 이차전지 셀(2)의 길이를 고려하여 셀 바디(2a) 중심부를 기준으로 대칭적으로 양쪽에 2개씩 설치한 것으로, 본 실시예보다 길이가 짧은 이차전지 셀(2)을 로딩시킬 때는 상기 셀 진입 가이드(40)들 간의 간격을 좁히거나 그 개수를 줄여도 무방하다.
이상과 같이, 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 12 : 간지
20 : 그립퍼 유닛 21 : 그립퍼 헤드부
22 : 캡부재 23 : 블럭부재
24 : 그립퍼 가압부 24a : 제1 그립퍼 가압부
24b : 제2 그립퍼 가압부 25 : 전류 단자
26 : 전압 단자 30 : 푸쉬바 유닛
31 : 푸쉬바 헤드부 32 : 상부 파트
33 : 하부 파트 34 : 푸쉬바 가압부
40 : 셀 진입 가이드 S : 셀 삽입 공간

Claims (15)

  1. 이차전지의 활성화 공정을 수행하기 위한 이차전지 충방전 장치에 있어서,
    이차전지 셀이 배치되는 셀 삽입 공간을 사이에 두고 각각 대면하게 배치되고 서로 간격이 좁혀지도록 이동하여 상기 이차전지 셀의 바디를 가압하게 마련되는 복수 개의 압착 플레이트들;
    각각의 상기 압착 플레이트에 장착되어 상기 압착 플레이트와 일체로 이동하고, 상기 압착 플레이트가 상기 이차전지 셀의 바디를 가압할 때, 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉하게 마련되는 그립퍼 유닛들; 및
    각각의 상기 그립퍼 유닛들과 이웃하게 상기 압착 플레이트에 장착되어 상기 전극 리드와 이웃한 상기 이차전지 셀의 테라스 부위를 가압하게 마련되는 푸쉬바 유닛들을 포함하고,
    상기 푸쉬바 유닛은,
    상기 그립퍼 유닛에 연결되고 상기 압착 플레이트의 상부에 거치되는 푸쉬바 헤드부; 및 상기 푸쉬바 헤드부에서 상기 셀 삽입 공간으로 연장되는 푸쉬바 가압부를 포함하며,
    상기 푸쉬바 헤드부는,
    상부 파트가 상기 셀 삽입 공간 방향으로 경사면 또는 곡면을 갖는 형상을 취하고, 하부 파트는 상기 압착 플레이트의 두께보다 그 폭이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 푸쉬바 가압부는,
    상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면 중 적어도 어느 한 곳에 중첩 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 푸쉬바 가압부는, 상기 이차전지 셀 테라스 부분의 폭과 길이에 대응하는 막대 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 푸쉬바 헤드부의 상부 파트와, 상기 상부 파트에 대면하는 상기 그립퍼 유닛의 일부분에는 볼트가 통과되는 볼트 통과홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그립퍼 유닛은,
    상기 압착 플레이트의 상부에 거치되는 그립퍼 헤드부; 및
    상기 그립퍼 헤드부에서 상기 셀 삽입 공간까지 연장되는 그립퍼 가압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 그립퍼 가압부는,
    상기 압착 플레이트의 앞면과 뒷면 중 적어도 어느 한 곳에 중첩 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  9. 이차전지의 활성화 공정을 수행하기 위한 이차전지 충방전 장치에 있어서,
    이차전지 셀이 배치되는 셀 삽입 공간을 사이에 두고 각각 대면하게 배치되고 서로 간격이 좁혀지도록 이동하여 상기 이차전지 셀의 바디를 가압하게 마련되는 복수 개의 압착 플레이트들;
    각각의 상기 압착 플레이트에 장착되어 상기 압착 플레이트와 일체로 이동하고, 상기 압착 플레이트가 상기 이차전지 셀의 바디를 가압할 때, 상기 이차전지 셀의 전극 리드 부분에 접촉하게 마련되는 그립퍼 유닛들; 및
    각각의 상기 그립퍼 유닛들과 이웃하게 상기 압착 플레이트에 장착되어 상기 전극 리드와 이웃한 상기 이차전지 셀의 테라스 부위를 가압하게 마련되는 푸쉬바 유닛들을 포함하고,
    상기 그립퍼 유닛은,
    상기 압착 플레이트의 상부에 거치되는 그립퍼 헤드부; 및 상기 그립퍼 헤드부에서 상기 셀 삽입 공간까지 연장되는 그립퍼 가압부를 포함하며,
    상기 그립퍼 가압부는,
    상기 압착 플레이트의 앞면에 밀착되게 배치되고 탄성적으로 변형되는 플레이트 조립체 형태로 구성되는 제1 그립퍼 가압부와, 상기 압착 플레이트의 뒷면에 밀착되게 배치되고 박형의 플레이트 형태로 구성되는 제2 그립퍼 가압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    금속 막대 형태로서 상기 전극 리드와 접촉하여 전류를 인가하는 전류 단자와 전압을 검출하는 전압 단자가 상기 제1 그립퍼 가압부에 장착되는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전류 단자와 상기 전압 단자는 격자 패턴으로 형성된 노치를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  12. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    상기 그립퍼 헤드부는 상기 그립퍼 가압부의 상부에 위치하고 상기 셀 삽입 공간 방향으로 경사면 또는 곡면을 갖는 캡부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  13. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    상기 그립퍼 헤드부는, 상기 그립퍼 가압부를 지지하며 상기 압착 플레이트의 상단을 따라 슬라이드 이동 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  14. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 그립퍼 유닛과 상기 푸쉬바 유닛은 각각 상기 압착 플레이트의 길이 방향에 따른 상기 압착 플레이트의 양쪽 가장자리에 하나씩 2개가 설치되는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
  15. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 이차전지 셀을 상기 셀 삽입 공간으로 안내하기 위해 각각의 상기 압착 플레이트의 상부에 미리 지정된 위치마다 설치되는 셀 진입 가이드들을 더 포함하고,
    상기 셀 진입 가이드들은,
    상기 압착 플레이트의 상단으로부터 소정 높이만큼 돌출된 형태를 취하며, 상기 셀 삽입 공간을 향하는 방향으로 경사면 또는 곡면 형상을 갖도록 마련된 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전 장치.
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