包含超声波切割器的电极组件制造装置以及使用该装置的电极组件制造方法与流程

1.本技术要求享有2020年09月14日提交的韩国专利申请第2020-0117858号的优先权，所述申请的公开内容在这里被全部引入以作为参考。
2.本发明涉及一种包含超声波切割器的电极组件制造装置以及使用该装置的电极组件制造方法。更具体地说，本发明涉及一种包含能够切割电极混合物涂布部分以及电极混合物非涂布部分以在电极板上形成电极接片的超声波切割器的电极组件制造装置以及使用该装置的电极组件制造方法。


背景技术：

3.能够反复充电和放电的二次电池具有电池单元寿命长的优点，并且以二次电池可拆卸地附接于设备或者内置于设备中的方式使用。使用二次电池作为能源的设备的种类已增加。
4.特别地，对于因为锂离子的移动而充电和放电的锂二次电池来说，由于锂二次电池具有能量密度高和充电电压高的优点，因此，锂二次电池不但用于供移动设备或小型电子产品使用的小型电池单元的领域，而且还用于作为需要高输出和高电压的电动汽车或电力存储系统的能源使用的中型或大型电池组的领域。
5.基于电池外壳的形状，锂二次电池被分成具有安装在圆柱形金属罐中的电极组件的圆柱形二次电池、具有安装在棱柱形金属罐中的电极组件的棱柱形二次电池、或具有安装在用铝层压板制成的袋状外壳中的电极组件的袋状二次电池。
6.通过将正电极和负电极相堆叠，在正电极和负电极之间插入隔板而形成电极组件，并且通过在每一个正电极板和负电极板上形成电极接片的处理以及将每一个正电极板和负电极板切割成单元电极的处理而形成正电极和负电极。
7.传统上，通过移除电极板的非涂布部分中除了电极接片之外的剩余部分的冲压方法而形成电极接片。
8.特别地，在电极板上放置压力切割器，压力切割器包含上切割器和下切割器，并且使用上切割器执行冲压来刻切(notch)电极板以形成电极接片。然而，如果使用包含上切割器和下切割器的压力切割器，那么上切割器和下切割器之间的距离必须保持为零。结果是，要耗费大量时间来保持压力切割器。此外，在冲压时，由于施加于电极板的压力，电极混合物层容易破裂，并且电极混合物层可能与电极板分离。
9.此外，在电极板箔的切割剖面可能会产生毛刺，或者电极板箔的切割剖面可能会变形，由此可能会劣化电极板箔的切割剖面的质量。
10.此外，由于在使用压力切割器的冲压处理期间会产生振动，通过刻切形成了电极接片的电极板会卷绕成卷轴的形式，并且卷绕的电极板被传送到层压加工线以执行层压处理。如上所述，由于刻切处理和层压处理必须分开执行，因此有必要确保电极组件生产设施所必需的宽阔空间，并且将用于制造电极组件的整个处理自动化是非常困难的。
11.与此相关，专利文献1公开了一种超声波切割装置，所述超声波切割装置用于切割二次电池的前体的一部分，例如正电极突出部和负电极突出部，二次电池的前体包含多个堆叠的发电元件，每一个发电元件包括正电极、隔板以及负电极的堆叠，正电极具有用于端子连接的正电极突出部，负电极具有用于端子连接的负电极突出部。
12.专利文献1的超声波切割装置在将发电元件堆叠的状态下切割正电极突出部和负电极突出部。然而，没有提供一种用于从电极板切割正电极和负电极的方法，并且该超声波切割装置只切割正电极和负电极的非涂布部分。
13.由此，需要一种能在切割电极混合物涂布部分时防止电极混合物层分离以及电极板箔变形的电极板切割器。
14.(现有技术文献)
15.(专利文献1)日本专利申请公开第2018-09468号(2018.06.21)


技术实现要素：

16.技术问题
17.本发明是有鉴于上述问题做出的，并且本发明的目的是提供一种能够在切割具有由于电极混合物涂布部分而形成的台阶的电极板的处理过程中，防止电极板箔变形和电极混合物涂布部分损坏，同时减小制造电极组件所必需的设施空间的电极组件制造装置以及使用该装置的电极组件制造方法。
18.技术方案
19.为了实现上述目的，根据本发明的电极组件制造装置包括：电极板供应单元，用于供应形成有电极混合物涂布部分和电极混合物非涂布部分的电极板；设置在所述电极板供应单元的后部的切割单元，用于在电极板上形成电极接片；以及设置在所述电极板供应单元的后部的层压单元，用于在隔板插入正电极和负电极之间的状态下层压堆叠的正电极和负电极，其中所述切割单元包括用于支撑电极板的模具以及与所述模具分离设置的超声波切割器，所述超声波切割器用于形成所述电极接片，所述超声波切割器的切割刃的切割线形成为与单元电极的形成所述电极接片的方向上的外周边相对应，所述切割单元和所述层压单元设置在相同的加工线上以执行连续处理。
20.在根据本发明的电极组件制造装置中，所述超声波切割器可以进一步包括用于形成凹部的辅助切割刃，所述凹部用于引导单元电极切割。
21.根据本发明的电极组件制造装置可以进一步包括设置在所述切割单元与所述层压单元之间的电极形成单元，所述电极形成单元用于切割所述电极板以制造所述单元电极。
22.在根据本发明的电极组件制造装置中，所述超声波切割器的切割刃的切割线可形成为与所述单元电极的外周边相对应。
23.在根据本发明的电极组件制造装置中，所述超声波切割器可以切割所述电极混合物涂布部分。
24.在根据本发明的电极组件制造装置中，所述超声波切割器的切割刃的切割线可以在均匀的平面中形成。
25.在根据本发明的电极组件制造装置中，所述超声波切割器可以耦接有检查构件。
26.此外，本发明提供了一种使用所述电极组件制造装置的电极组件制造方法。
27.特别地，所述电极组件制造方法可以包括：(a)将电极板传送到所述切割单元，(b)使用所述超声波切割器来形成电极接片，(c)将所述电极板切割成单元电极，以及(d)在隔板插入正电极和负电极之间的状态下将正电极和负电极相互层压，其中步骤(a)到步骤(d)可以在连续的加工线上执行。
28.在根据本发明的电极组件制造方法中，步骤(b)和步骤(c)可以同时执行。
29.在根据本发明的电极组件制造方法中，步骤(b)和步骤(c)可以顺序执行，步骤(b)可以使用第一超声切割器来执行，步骤(c)可以使用第二超声波切割器来执行。
30.在根据本发明的电极组件制造方法中，所述超声波切割器的振动方向可以是与所述电极板垂直的方向。
31.在根据本发明的电极组件制造方法中，步骤(b)可以包括形成凹部的处理，所述凹部用于引导单元电极切割。
32.在根据本发明的电极组件制造方法中，步骤(b)可以通过以下处理来执行：在将所述超声波切割器的切割刃置于所述电极板的外表面上的状态下，将所述超声波切割器的切割刃推动一次，以在形成电极接片的方向上形成单元电极的外周边。
33.有益效果
34.从以上描述中可以清楚了解，在本发明中使用了超声波切割器来形成电极接片，由此在电极混合物涂布部分以及电极混合物非涂布部分的切割剖面中，可以防止电极板箔变形或者电极混合物层分离。
35.此外，用于形成电极接片的切割单元和层压单元设置在相同的加工线上，从而可以执行连续处理，由此可以减小电极组件制造设施所需的空间。
36.此外，如果将检查构件耦接到超声波切割器，可以在形成电极接片的同时检查形成有电极接片的电极板的切割剖面。
附图说明
37.图1是根据第一实施例的电极组件制造装置的透视图。
38.图2是根据本发明的超声波切割器的透视图。
39.图3是超声波切割器的切割刃的放大视图。
40.图4是显示了切割刃的不同形状的平面图。
41.图5是显示了正电极板的形成有正电极接片的部分的局部放大视图。
42.图6是根据第二实施例的电极组件制造装置的一部分的透视图。
43.图7是根据第三实施例的电极组件制造装置的一部分的透视图。
44.图8是显示了根据第四实施例的电极组件制造装置的切割刃的透视图。
45.图9是使用压力切割器切割的电极板的切割剖面的放大视图。
46.图10是使用压力切割器切割的电极板的平面图。
47.图11是使用超声波切割器切割的电极板的切割剖面的放大视图。
48.图12是使用超声波切割器切割的电极板的平面图。
49.图13是显示了对使用压力和超声波切割器刻切的具有绝缘涂层的正电极板的剖面进行比较的视图。
50.图14是显示了对使用压力、超声波切割器以及激光器刻切的负电极板的剖面进行比较的视图。
具体实施方式
51.现在将参照附图来详细描述本发明的优选实施例，以使本发明所属领域的普通技术人员可以很容易地实施本发明的优选实施例。然而，在详细描述本发明的优选实施例的操作原理的过程中，如果对于在这里引入的已知功能和构造的详细描述有可能与本发明的主题相混淆，那么将会省略该描述。
52.此外，在所有附图中始终会使用相同的参考数字来指代执行相似功能或操作的部件。如果在说明书中将一个部分称之为与另一部分相连，那么所述一个部分不但可以直接连接到所述另一部分，而且所述一个部分还可以经由其他部分间接连接到所述另一部分。此外，包含某个元素并不意味着排除其他元素，相反，除非另有说明，否则意味着可以进一步包含这些元素。
53.此外，除非特别限制，否则通过限制或补充来体现要素的描述可以应用于所有发明，并且不对具体的发明构成限制。
54.并且，在本发明的说明书和本技术的权利要求书中，除非另有说明，否则单数形式应该包括复数形式。
55.并且，在本发明的说明书和本技术的权利要求书中，除非另有说明，否则“或”包括“和”。因此，“包括a或b”指的是三种情况，即包括a的情况、包括b的情况以及包括a和b的情况。
56.现在将参考附图来详细描述本发明的实施例。
57.图1是根据第一实施例的电极组件制造装置的透视图，图2是根据本发明的超声波切割器的透视图。
58.图1显示了用于制造单电池的过程，所述单电池具有在隔板插入正电极和负电极之间的状态下，一个正电极和一个负电极相堆叠的结构。
59.参考图1和2，电极组件制造装置10包括：用于供应形成有电极混合物涂布部分和电极混合物非涂布部分的电极板的电极板供应单元100；用于在电极板上形成电极接片的切割单元200；以及用于在隔板插入于正电极和负电极之间的状态下层压堆叠的正电极和负电极的层压单元300。
60.切割单元200包括超声波切割器210和模具220。通过使用超声波切割器210，在移动于模具220上方的电极板上形成电极接片。
61.图2显示的超声波切割器210包括：用于产生超声波的振荡器212；用于放大/减小振荡器212所产生的振动能量的增幅器213；用于切割电极板的切割刃211；以及用于将振动能量从增幅器213传递到切割刃211的焊头(horn)214。
62.在具体示例中，超声波切割器210的切割速度可设定成200米/秒或更小。超声波切割器的超声波可以具有15khz到40khz的振荡频率以及10μm至60μm的幅度，其可依照电极板的构造而改变。
63.如上所述，在本发明中使用超声波切割器来形成电极接片，由此，与使用压力切割器冲压来刻切电极接片的常规冲压处理相比，由振动所导致的电极板损害相对较小。
64.并且，在常规切割单元使用压力切割器切割电极板的情形中，上切割器与下切割器之间的距离必须保持为零，由此，用于保持上切割器与下切割器之间的距离的微调处理是必需的。然而，在本发明中，在将超声切割器的切割刃置于电极板的外表面上的状态下，通过推动切割刃来形成电极接片，由此不同于常规技术，用于保持上切割器与下切割器之间的距离的处理不是必需的。由此，可以节省常规技术中保持上切割器与下切割器之间的距离所需要的时间。
65.同时，在常规技术中，在使用压力切割器执行刻切处理的过程中产生的振动很大。因此，如果在同一加工线上执行刻切处理以及将正电极与负电极对准并层压的层压处理，那么在刻切处理期间产生的振动有可能会影响层压处理。因此，在常规技术中，刻切加工线和层压加工线是分开设置的。特别地，使用以下方法制造电极组件：将已经经历过刻切处理的电极板卷绕成卷轴的形式，将卷绕的电极板传送到层压加工线，以及执行层压处理。因此，刻切处理和层压处理是不连续执行的。
66.然而，在本发明中，在形成电极接片的过程中使用了产生少量振动的超声波切割器。因此，即使将切割单元和层压单元设置在相同的加工线上，来自切割单元的振动也几乎不会影响层压单元。因此，在本发明中，切割单元和层压单元设置在相同的加工线上，由此可以连续执行电极接片形成处理和层压处理。
67.因此，制造电极组件所需要的设施空间可以减小。此外，由于不需要传送电极卷的时间，因此可以缩短制造电极组件所需要的时间，并且可以将刻切处理和层压处理自动化。
68.举例来说，如果在同一条加工线上连续执行刻切处理和层压处理，那么所减少的时间可以是不连续执行刻切处理和层压处理时所需要的时间的大约5％到50％。
69.在具体示例中，检查构件215附接于图2的超声波切割器210，检查构件215面朝与切割刃211平行的方向。视觉相机可以用作检查构件215。
70.如果在常规技术中使用压力切割器，那么由于在切割过程中会产生冲击，因此很难在压力切割器上设置检查构件。然而，本发明提出了将检查构件附接于超声波切割器的结构，由此可以在切割电极板的同时确定电极接片的形状是否正常。因此，电极组件的制造过程可以缩短，从而可以提高生产率。
71.图1的电极板供应单元100包括：用于供应正电极板110的正电极板供应单元和用于供应负电极板120的负电极板供应单元。
72.正电极板110配备有正电极混合物涂布在正电极板箔113的相反表面上的正电极混合物涂布部分111、以及在正电极板箔113的相反表面没有通过涂布处理形成正电极混合物的正电极混合物非涂布部分112。也就是说，正电极混合物非涂布部分112是正电极板箔113的暴露部分。
73.对具有正电极混合物涂布部分111和没有通过涂布处理形成正电极混合物的正电极混合物非涂布部分112的正电极板110的描述同样适用于具有负电极混合物涂布部分121和没有通过涂布处理形成负电极混合物的负电极混合物非涂布部分122的负电极板120。
74.参考图1和2，图2的超声波切割器210的切割刃211的切割线216形成为与单元电极的形成电极接片的方向上的外周边相对应。
75.由此，在将超声波切割器的切割刃211设置在将要形成电极接片的位置并且使用超声波切割器来冲压电极板时，正电极混合物非涂布部分112的除了正电极接片114之外的
其余部分被沿着切割线216的形状切割，由此形成正电极接片114，并且负电极混合物非涂布部分122的除了负电极接片124之外的其余部分被沿着切割线216的形状切割，由此形成负电极接片124。
76.在切割单元200的后部设置了电极形成单元400，电极形成单元400用于切割形成有正电极接片114的正电极板以制造单元正电极，以及用于切割形成有负电极接片124的负电极板以制造单元负电极。也就是说，电极形成单元400设置在切割单元200与层压单元300之间。
77.单元正电极和单元负电极指的是通过以预定间隔切割正电极板和负电极板制造的单个正电极和单个负电极。在本说明书中，正电极包含单元正电极的含义，并且负电极包含单元负电极的含义。
78.在电极形成单元400中，用于切割电极板的切割器410可以是包括上切割器和下切割器的压力切割器，或者可以使用超声波切割器。
79.如果使用超声波切割器，那么可以对电极板进行切割，以将电极混合物层和电极板箔的损坏最小化。
80.由电极形成单元切割成的单元正电极和单元负电极在附接于隔板150且彼此间隔预定距离的状态下被传送到层压单元300。附接于隔板150的正电极131和附接于隔板150的负电极132在经过层压单元300中包含的一对辊310之间时相互层压。随后，执行隔板切割处理，由此制造出具有按顺序堆叠了正电极、隔板、负电极以及隔板的结构的单电池。
81.在具体示例中，根据本发明的电极组件制造方法可以包括：(a)将电极板传送到切割单元的步骤，(b)使用超声波切割器形成电极接片的步骤，(c)将电极板切割成单元电极的步骤，以及(d)在隔板插入正电极与负电极之间的状态下将正电极与负电极相互层压的步骤，其中步骤(a)到步骤(d)可以在连续加工线上执行。
82.如图1所示，在切割单元200上执行的步骤(b)和在电极形成单元400上执行的步骤(c)可以顺序执行。在步骤(b)中，超声波切割器210可用作第一超声波切割器。在步骤(c)中，切割器410可用作第二超声波切割器。
83.超声波切割器210的振动方向是与正电极板110和负电极板120垂直的方向。因此，超声波切割器210在与正电极板和负电极板垂直的方向上移动，以使超声波切割器的移动方向与超声波切割器的振动方向一致。
84.与此相关，图3是超声波切割器的切割刃的放大视图。
85.参考图3，超声波切割器的切割刃211的切割线216弯曲成在形状上与形成有电极接片的单元电极的外周边相对应。
86.参考沿着线a-a'截取的切割刃的放大剖视图，切割刃的剖面的端部形成为v形。因此，切割刃必须在与电极板垂直的状态下移动，以通过切割刃的端部来切割电极板。在这种情况下，切割刃与电极板之间的接触可以被最小化，由此可以将它们之间的摩擦最小化。如果切割刃在相对于电极板倾斜而不是与电极板垂直的状态下移动以切割电极板，那么电极板有可能会因为切割刃的端部的v形倾斜表面与电极板之间的接触所产生的摩擦而烧毁。
87.同时，超声波切割器的切割刃的切割线是在均匀的平面中形成的。也就是说，切割刃在y轴方向上的长度整体上是均匀的。
88.与此相关，图4是显示了切割刃的不同形状的平面图。
89.参考图4的(a)到(c)，切割刃在y轴方向上的长度是不均匀的。也就是说，切割刃的切割线236、246和256不是在均匀的平面中形成的。
90.如果使用常规技术中包含上切割器和下切割器的压力切割器来切割电极板，那么将会使用具有任一上述形状的切割刃以增加切割力。然而，当使用图4的(a)到(c)中显示的切割刃来切割电极板时，切割刃必须在y轴方向上进一步移动h1、h2和h3。
91.相比之下，与图4所示的切割刃相比，在本发明中使用的切割刃在y轴方向上的移动距离减少了h1、h2和h3，由此，与使用常规压力切割器的情形相比，可以减少形成电极接片所需要的时间。
92.图5是显示了正电极板的形成有正电极接片的部分的局部放大视图。
93.参考图5，正电极板被切割成，基于正电极混合物涂布部分111与正电极混合物非涂布部分112之间的边界线116，在正电极的朝着正电极混合物涂布部分111偏移g的部分形成正电极的外周边115。
94.也就是说，超声波切割器不但切割形成有正电极接片114的正电极混合物非涂布部分112，而且还切割正电极混合物涂布部分111。
95.图6是根据第二实施例的电极组件制造装置的一部分的透视图。
96.参考图6，从电极板供应部分100供应的正电极板110配备有正电极混合物涂布部分111和正电极混合物非涂布部分112，并且在正电极混合物非涂布部分112以及正电极混合物涂布部分111与正电极混合物非涂布部分112之间的边界形成正电极接片114。
97.与图1不同，连续设置了超声波切割器210的两个切割刃211。可以与切割刃211的延伸成比例地提高形成正电极接片的速度。
98.图7是根据第三实施例的电极组件制造装置的一部分的透视图。
99.参考图7，与图1相比，超声波切割器进一步包括辅助切割刃219。辅助切割刃219用于形成凹部，所述凹部用于引导单元电极切割。可以形成凹部来指示切割电极板以制造单元电极的位置。
100.凹部可形成为具有狭缝形状或者凹入尺寸从电极板的内侧向外侧逐渐增大的形状，但是凹部的形状并没有特别限制。具体地说，可以形成v形凹部。
101.因此，形成电极接片的切割处理和形成用于引导单元电极切割的凹部的切割处理可以同时执行，由此可以缩短制造过程。
102.图8是显示了根据第四实施例的电极组件制造装置的切割刃的透视图。
103.参考图8，切割刃231的切割线266形成为与正电极131的外周边相对应的形状。
104.在使用图8的切割刃时，可以同时执行使用超声波切割器来形成电极接片的步骤以及将电极板切割成单元电极的步骤。因此，将电极板冲压一次就可以将形成有正电极接片的正电极131与正电极板分离。此时，不需要图1的电极形成单元。
105.因此，电极组件的制造过程可以得到简化，并且可以缩短制造时间。
106.为了确定在使用根据本发明的电极组件制造装置的情况下电极板是否损坏，以下对使用超声波切割器切割电极板而获得的电极和使用压力切割器切割电极板而获得的电极进行了比较。
107.图9是使用压力切割器切割的电极板的切割剖面的放大视图，图10是使用压力切割器切割的电极板的平面图。图11是使用超声波切割器切割的电极板的切割剖面的放大视
图，图12是使用超声波切割器切割的电极板的平面图。
108.参考图9和10，从图9所示的使用压力切割器切割的电极板的切割剖面可以看出，电极板箔511弯曲，并且电极混合物层512与电极板箔511分离。此外，从图10中的虚线指示的部分可以看出，电极混合物层512与电极板箔511分离。
109.参考使用超声波切割器的图11和12，可以看出，电极板箔611和电极混合物层612在电极板的切割剖面均未变形，并且电极混合物层612正常附接于电极板箔611。
110.图13是显示了对使用压力和超声波切割器刻切的具有绝缘涂层的正电极板的剖面进行比较的视图。
111.参考图13，可以看出，如虚线指示的圆圈所示，绝缘涂层与使用压力刻切的正电极分离。然而，可以看出，使用超声波切割器刻切的正电极具有不与绝缘涂层分离的整洁外观，并且正电极混合物层的边界线保持平滑，也就是说，正电极混合物层被稳定地附接于正电极板箔。
112.图14是显示了对使用压力、超声波切割器以及激光器刻切的负电极板的剖面进行比较的视图。
113.参考图14，可以看出，在执行压力刻切时，电极板弯曲，并且在正电极板的切割剖面中，在电极板箔711上产生了毛刺。可以看出，在执行激光刻切时，在电极接片的剖面和刻切剖面中，电极混合物层712由于来自激光的热量发生了热变形。可以看出，在使用超声波切割器执行刻切时，在电极接片和刻切剖面中，电极板箔711和电极混合物层712均未受损，电极板箔711在切割剖面中甚至没有弯曲，并且电极混合物层712正常附接于电极板箔711。
114.在如上所述使用超声波切割器的情况下，电极混合物层可以保持稳定附接于电极板箔，并且电极板箔的切割剖面上的毛刺生成以及电极板箔的切割剖面的变形可以最小化。
115.本发明所属领域的技术人员可以了解，基于以上描述，在本发明的范畴以内，各种应用和修改都是可行的。
116.(参考数字的描述)
117.10：电极组件制造装置
118.100：电极板供应单元
119.110：正电极板
120.111：正电极混合物涂布部分
121.112：正电极混合物非涂布部分
122.113：正电极板箔
123.114：正电极接片
124.115：正电极外周边
125.116：边界线
126.120：负电极板
127.121：负电极混合物涂布部分
128.122：负电极混合物非涂布部分
129.124：负电极接片
130.131：正电极
131.132：负电极
132.150：隔板
133.200：切割单元
134.210：超声波切割器
135.211、231：切割刃
136.212：振荡器
137.213：增幅器
138.214：焊头
139.215：检查构件
140.216、236、246、256、266：切割线
141.219：辅助切割刃
142.220：模具
143.300：层压单元
144.310：辊
145.400：电极形成单元
146.410：切割器
147.511、611、711：电极板箔
148.512、612、712：电极混合物层
149.工业适用性
150.从以上描述可以清楚了解，在本发明中使用了超声波切割器来形成电极接片，由此，在电极混合物涂布部分以及电极混合物非涂布部分的切割剖面中，可以防止电极板箔变形或电极混合物层分离。
151.此外，用于形成电极接片的切割单元和层压单元设置在相同的加工线上，由此可以执行连续处理，从而可以减小电极组件制造设施所需要的空间。
152.并且，在将检查构件耦接到超声波切割器的情况下，可以在形成电极接片的同时检查形成有电极接片的电极板的切割剖面。