Automated lithium secondary battery manufacturing system for the lamination equipment

本発明は、自動化されたリチウム２次電池製造システム用のラミネーション装置に関するものであり、詳しくは水平状態で供給されるフィルム状のセパレータの所定の長さの両面に、規格化されてマガジンに蓄積された多数個の正極板と負極板とを一括して同時に貼り付ける(ラミネーション)ことが可能な自動化されたリチウム２次電池製造システム用のラミネーション装置に関する。

一般に、ビデオカメラ、携帯用電話機、携帯用ＰＣなどのような携帯用電化製品の構造が軽量化または高機能化されることにつれ、このような電化製品の電源として使用される電池に関する研究が進みつつある。 このような電池は、充放電によって連続的に使用できる。

通常、電池は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム２次電池などが電化製品の電源として使用されており、この中で寿命と容量を考えると、リチウム２次電池がもっとも汎用化されている。

前記リチウム２次電池は、電解質の種類によって液体電解質を用いるリチウム金属電池、リチウムイオン電池、及び高分子固体電解質を用いるリチウムポリマー電池に分けられる。 また、リチウムポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって有機電解液が全く含有されていない完全固体型リチウムポリマー電池と、有機電解液を含有するゲル型高分子電解質を用いるリチウムイオンポリマー電池に分けられる。

前記リチウム２次電池は、電極と隔離膜との構造を持つ多数個の単位セルを、所望の容量に合わせて積層させ、並列に連結し、これを電池缶に入れて、円筒形または角形電池を製造する。

しかしながら、従来の方式による電極板の配置方法は、過充電時、電圧が急激に上昇し、電池のエネルギーが急激に放電されて発火することがあり、このため電池の性能及び安定性を低下させるという問題点がある。 また、単位セルを電気的に連結させるための電極タブの付着工程が複雑であるという問題点があった。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたもので、多数の正極板をセパレータの一面にのみ順次はり付け、多数の負極板を順次貼り付ける作業を通じてラミネーションする従来の作業を、一括作業によってセパレータの両面に必要な個数の正極板及び負極板を同時に貼り付ける(ラミネーション)ように構造が改善された自動化されたリチウム２次電池製造システム用のラミネーション装置を提供することにその目的がある。

前記の目的を達成するための本発明は、
フレームと、
複数の正極板が各々貯蔵され、所定間隔で配置された複数の正極板貯蔵部、複数の負極板を各々貯え、所定間隔で配置されるとともに所定パターンで接着剤が塗布されたセパレータを基準に、該正極板貯蔵部に対して非対称的に位置されるように、前記フレームに設けられた複数の負極板貯蔵部とが設けられたスタッキング部材と、前記正極板貯蔵部及び前記負極板貯蔵部に各々対面するように前記フレームに回動自在に各々設けられた一対の回動部材、および 前記スタッキング部材に貯蔵された複数の正極板及び複数の負極板を前記セパレータに貼り付けるために、前記スタッキング部材及び前記セパレータに各々接近可能に前記回動部材に対して往復動自在に設けられたプッシュ部材を備える。

本発明による自動化されたリチウム２次電池製造システム用ラミネーション装置では、前記スタッキング部材は、前記正極板貯蔵部及び前記負極板貯蔵部に貯蔵された正極板及び負極板を、前記回動部材側に各々密着させるための密着手段をさらに備える。

本発明による自動化されたリチウム２次電池製造システム用ラミネーション装置では、前記密着手段は、
前記正極板貯蔵部及び前記負極板貯蔵部の各々の貯蔵部に設けられた長溝と、
前記長溝に各々挿入される密着突起を有し、かつ移動部材によって前記フレームに往復動自在に設けられた密着プレートとを備える。

本発明による自動化されたリチウム２次電池製造システム用ラミネーション装置では、前記密着手段は、対応される前記正極板または前記負極板に弾性力を付与するために、前記密着突起に設けられた弾性部材をさらに備える。

本発明による自動化されたリチウム２次電池製造システム用ラミネーション装置では、プッシュ部材は、正極板または負極板に対応し、かつ前記スタッキング部材に貯蔵された前記正極板または前記負極板を吸入力によって吸入して前記セパレータに付着させるために、吸入部材に連通されるように内部に吸入通路が設けられた、クッション部材をさらに備える。

本発明による自動化されたリチウム２次電池製造システム用ラミネーション装置は、前記スタッキング部材に貯蔵された前記正極板または前記負極板を整列させために、前記スタッキング部材に対して往復動自在に設けられた整列部材をさらに備える。

以下、本発明の好ましい実施例による自動化されたリチウム２次電池製造システム用のラミネーション装置を、添付した図面に基づいて詳しく説明する。

図１ないし図４を参照すると、本発明のラミネーション装置３３０は、ローラー(図示せず)に巻き取られたセパレータ３１１を解き出して走行経路３１３を走行させながら、
接着剤を両面に各々所定パターンで塗布し、セパレータ３１１の一面には多数の正極板を、他面には多数の負極板を所定パターンに対応するように同時に接着及びラミネーションするためのものである。

前記ラミネーション装置３３０は、フレーム３０１と、多数の正極板１０２及び負極板１０４が各々貯蔵された複数の正極板貯蔵部１１２及び負極板貯蔵部１１４を持ち、互いに非対称的に位置したスタッキング部材１１０と、正極板貯蔵部１１２及び負極板貯蔵部１１４に各々対面されるようにフレーム３０１に回動自在に各々設けられた正極板回動部材１２２及び負極板回動部材１２４から成る回動部材１２０と、 スタッキング部材１１
０に貯蔵された複数の正極板１０２及び複数の正極板１０４を各々セパレータ３１１に接着及びラミネーションさせるため、正極板回動部材１２２及び負極板回動部材１２４に対して各々往復動できるように設けられた正極板プッシュ部材１３２及び負極板プッシュ部材１３４から成るプッシュ部材１３０とを備える。

前記フレーム３０１は、地面に対しラミネーション装置３３０を支持できる支柱３０９が設けられる下部フレームと、装置３３０の構成要素が安着される上部フレームに分けられる。 前記下部フレームには、装置を駆動するための各種駆動モ一タと、真空システム、エアーシステム、電子システム、接着補助システムなどが設けられる。 前記上部フレームの上表面は、水平を成すように位置調整されていることが好ましい。

ここで、セパレータ３１１は、各々電極内の正極および負極と電気的絶縁である、単層または多層構造を有するセパレータ３１１は、ポリエチレン（PE）またはポリプロピレン（PP）の多孔質ポリマーフィルムからなるものが好ましい。 セパレータ３１１の幅および厚さは、最終的に製造される電池のタイプによって変化してもよい。

フレーム３０１の前方には、セパレータ３１１を所定の速度でかつ周期的に供給するための供給ユニット(図示せず)と、エアーインジェクタ(図示せず)などによってセパレータ３１１の両面に所定パターンで接着剤を塗布させるための接着ユニット(図示せず)とが設けられる。

フレーム３０１の後方には、あらかじめ所定パターンにラミネーション装置３３０によって電極板と積層されたセパレータのバッチを収めてパッキングするためのパッキングユニット(図示せず)、およびトレーユニット(図示せず)に積まれたセパレータを下ろすためのアンローディングユニット(図示せず)などが設けられる。

前記スタッキング部材１１０は、電池に必要な数の正極板と負極板(例えば、正極板が５個である場合には、負極板が６個になるように負極板の数が正極板の数より一つ多く形成されるように配置)を同時にセパレータに貼り付ける過程で、正極板と負極板を多数整列して貯蔵する貯蔵所であって、各々正極板と負極板を貯えるための正極板マガジン１１６と負極板マガジン１１８に分けられる。 前記正極板マガジン１１６と負極板マガジン１１８は、セパレータ３１１の水平走行経路３１３に対して非対称的に位置される。 即ち、正極板マガジン１１６がフレーム３０１に対して１段目に位置すると、負極板マガジン１１８は２段目に位置する。 もちろん、その反対の場合も可能である。 正極板マガジン１１６と負極板マガジン１１８は、相互位置と方向のみが異なりその構造は同一である。 但し、前記正極板１０２は、アルミニウムフォイル(ｆｏｉｌ)などの金属板の表面に、スピネル或いは層状構造を持つＬｉＣＯ ₂ 、 ＬｉＭｎ ₂ Ｏ ₂などの正極活物質を塗布・乾燥して、所定サイズに切断し所定部位に正極タブが設けられた規格化した製品である。 負極板１０４は銅のようなフォイル金属板の表面に、電気化学的な特性を有するように処理された黒鉛系または炭素系列の材料、例えば、 メソカーボンマイクロビーズ、メゾフェーズピッチカーボンフィルム系列の炭素材などのような負極活物質を塗布・乾燥して、所定サイズに切断し所定部位に負極タブが設けられた規格化した製品である。

前記正極板マガジン１１６と負極板マガジン１１８は、各々規格化した多数の正極板１０２及び負極板１０４を貯蔵し、一定の間隔(「Ｚ」字状に折り畳む場合、正極板、負極板の厚さとセパレータの折れる長さを考慮)で配置された各々１２個の正極板貯蔵部１１
２及び負極板貯蔵部１１４を各々備える。 正極板貯蔵部１１２及び負極板貯蔵部１１４の底面には、所定形態の長溝１１３が形成される。 この長溝１１３には、フレーム３０１に往復動自在に設けられた正極板密着プレート１０６及び負極板密着プレート１０８の正極板密着突起１３６及び負極板密着突起１３８が各々挿入される。 長溝１１３と密着突起１３６、１３８は、正極板貯蔵部１１２及び負極板貯蔵部１１４に各々貯蔵された正極板及び負極板を走行経路３１３側へ密着させるための密着手段をなす。

前記密着手段は、正極板弾性部材１３１と負極板弾性部材１３３を備える。 弾性部材１３１、１３３は、正極板貯蔵部１１２及び負極板貯蔵部１１４に貯蔵された正極板１０２
及び負極板１０４を弾性的に密着させるためのもので、密着突起１３６、１３８に設けられる。 前記弾性部材１３１、１３３は、正極板１０２及び負極板１０４に各々接触されるように設けられる密着板１３５、１３７と、密着板１３５、１３７及び密着突起１３６、１３８の間に介在されたガイド棒と、ガイド棒の外周面に設けられたスプリングを備える。

前記正極板マガジン１１６と負極板マガジン１１８は、正極板１０２または負極板１０４を選択的に整列させるために、スタッキング部材１１０に対して往復動自在に設けられる正極板整列部材１４２及び負極板整列部材１４４を備える。

前記正極板整列部材１４２及び負極板整列部材１４４は、所定間隔離隔され、かつ正極板マガジン１１６及び負極板マガジン１１８の先端に各々平行するように配置され、整列シリンダー１４６によって上下・往復動される正極板整列バー１４１及び負極板整列バー１４３と、正極板１０２及び負極板１０４の両稜(エッジ)と接触されるように正極板整列バー１４１及び負極板の整列バー１４３の長方向に設けられた多数の整列突起１４８を備える。 整列突起１４８の先端には、正極板１０２及び負極板１０４が傷付かないように柔らかい材質のタッチパッドが設けられることが好ましい。

前記正極板密着プレート１０６及び負極板密着プレート１０８は、各々正極板移動部材１５２及び負極板移動部材１５４によってフレーム３０１に対して往復動される。 前記移動部材１５２、１５４は、フレーム３０１に設けられコントロールユニットによって制御されるモ一タ１５６の回転軸に設けられたタイミングプーリー１５８Aと、フレーム３０
１に回転自在に密着プレート１０６、１０８を貫通して配置されたボールスクリュー１５１の一端に設けられたタイミングプーリー１５８Bと、タイミングプーリー１５８A、１５８Bを連結するタイミングベルト１５３とを備える。

前記回動部材１２０は、走行経路３１３と正極板マガジン１１６及び負極板マガジン１１８の間で９０度回動される。 前記正極板回動部材１２２及び負極板回動部材１２４は、各々、フレーム３０１に設けられた回動ブラケット１２１と、走行経路３１３と平行するように回動ブラケット１２１に設けられたロータリーシャフト１２３と、ロータリーシャフト１２３を９０度回転させるために回動ブラケット１２１に設けられ、コントロールユニットによって制御される回動シリンダー１２５とを備える。

正極板プッシュ部材１３２と負極板プッシュ部材１３４は、プッシュ部材１３２および１３４が、スタッキング部材１１０及びセパレータ３１１から各々離隔できるか、または接近可能であり、このため、正極板マガジン１１６と負極板マガジン１１８に各々貯蔵された一列の正極板１０２と負極板１０４を各々吸入力によって吸入してセパレータ３１１の両面に各々付着させるように、正極板回動部材１２２及び負極板回動部材１２４に対して往復動自在に設けられる。

正極板回動部材１２２及び負極板回動部材１２４は、吸入部材１３９に連通されるように内部に吸入通路が設けられるプッシュバー３３１と、正極板１０２または負極板１０４に各々接触されるようにプッシュバー３３１に設けられるクッション部材３３３とを備える。

前記の構成を持つ本発明の好ましい実施例による自動化されたリチウム２次電池製造システム用のラミネーション装置の動作を説明する。

まず、装置３３０の電源をオンしてコントロールユニットに必要なデータをセットする。 次いで、コントロールユニットのスタートボタンを押すと、移送ユニット(図示せず)によって両面に接着剤が塗布されたセパレータ３１１が、走行経路３１３を通じて供給されて接着位置で停止する。

この状態で、コントロールユニットはラミネーション装置３３０のスタッキング部材１１０を可動させる。 そうすると、正極板密着プレート１０６及び負極板プレート１０８は、各々正極板１０２及び負極板１０４方向へ移動されて正極板１０２及び負極板１０４を密着する。 これと同時に、正極板回動部材１２２及び負極板回動部材１２４は、各々走行経路３１３に対面した状態から、正極板マガジン１１６及び負極板マガジン１１８に対面するように９０度回動される。 それから、正極板プッシュ部材１３２及び負極板プッシュ部材１３４は、各々正極板１０２及び負極板１０４方向へ移動されて、正極板マガジン１１６と負極板マガジン１１８に各々貯蔵された一列の正極板１０２と負極板１０４とを各々吸入力によって吸入する。

次いで、プッシュ部材１３２および１３４は各々電極板１０２および１０４に保持した後、正極板密着プレート１０６及び負極板密着プレート１０８に加えられた密着力は解除され、正極板回動部材１２２及び負極板回動部材１２４は、各々走行経路３１３に対面するように反対方向に回動される。 それから、正極板プッシュ部材１３２及び負極板プッシュ部材１３４は、走行経路３１３に沿って位置するセパレータ３１１の両面に各々正極板１０２と負極板１０４を同時に密着させる。 そうすると、セパレータ３１１の両面に塗布された接着剤によって正極板１０２と負極板１０４は、セパレータ３１１の両面に各々貼り付けられるとともに、正極板プッシュ部材１２２及び負極板プッシュ部材１２４に適用された吸入力が解除させる。

それでは、移送ユニットによって正極板１０２と負極板１０４が貼り付けられたセパレータ３１１は移動され、接着剤が貼り付けられた新しいセパレータ３１１が連続的に供給される。

このような過程を経る際、正極板貯蔵部１１２及び負極板貯蔵部１１４に各々貯蔵された正極板１０２と負極板１０４は、正極板密着プレート１０６及び負極板密着プレート１０８の密着力と、正極板プッシュ部材１２２及び負極板プッシュ部材１２４の押圧力によって、その整列状態が不良になるおそれがある。 このような場合には、各々正極板整列部材１４２及び負極板整列部材１４４を作動させて、正極板整列バー１４１及び負極板整列バー１４３によって正極板マガジン１１６及び負極板マガジン１１８の先端に位置した正極板１０２と負極板１０４を整列させる。

上述したように、本発明による自動化されたリチウム２次電池製造システム用のラミネーション装置は次のような効果を奏する。

第一に、自動化された生産設備を用いるため、全体的な生産効率の向上が期待でき、２次電池の不良率が低まる。

第二に、セパレータの走行経路を水平方式で配置し、セパレータの両面に各々一列の正極板と負極板、すなわちバッチの正極板と負極板を同時に貼り付けるとともにラミネーションするため、作業効率及び生産性が向上される。

第三に、規格化かつ整列化されたマガジンを用いて、ラミネーションする際、極板がずれることを防ぐことができる。 このため、２次電池の生産性と品質が向上される。

図１は、本発明の好ましい実施例による自動化されたリチウム２次電池製造システム用のラミネーション装置を概略的に示した斜視図である。

図２は、図１の正面図である。

図３は、図１の平面図である。

図４は、図１の右側面図である。

符号の説明

１０２ 正極板１０４ 負極板１０６ 正極板密着プレート１０８ 負極板密着プレート１１０ スタッキング部材１１２ 正極板貯蔵部１１３ 長溝１１４ 負極板貯蔵部１１６ 正極板マガジン１１８ 負極板マガジン１２０ 回動部材１２２ 正極板回動部材１２４ 負極板回動部材１３０ プッシュ部材１３１ 正極板弾性部材１３２ 正極板プッシュ部材１３３ 負極板弾性部材１３４ 負極板プッシュ部材１３５、１３７ 密着板１３６ 正極板密着突起１３８ 負極板密着突起１４１ 正極板整列バー１４２ 正極板整列部材１４３ 負極板整列バー１４４ 負極板整列部材１４８ 整列突起３０１ フレーム３０９ 支柱３１１ セパレータ３１３ 走行経路３３０ ラミネーション装置