CN105537055A - 具有流体控制单元的狭槽涂布机 - Google Patents

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Abstract

公开了一种狭槽涂布机，包括：进给单元，所述进给单元具有供涂布液流入的通道；歧管，所述歧管用于容纳通过所述进给单元供应的涂布液；排出单元，所述排出单元与所述歧管相通以排出容纳在所述歧管中的涂布液；多个垫板，所述多个垫板在所述歧管的长度方向上以规则的间隔布置；以及温度控制单元，用于在相对靠近所述进给单元的垫板与相对远离所述进给单元的垫板之间产生温度差。

Description

具有流体控制单元的狭槽涂布机
技术领域
本发明涉及一种狭槽涂布机，更具体地，涉及一种被配置为控制涂布液的排出流速(dischargeflowrate)以实现均匀涂布的狭槽涂布机。
本申请主张于2015年9月18日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2015-0132579、于2014年10月22日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0143576,以及于2014年10月22日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0143579的优先权益，上述韩国专利申请的公开内容通过引用被全部并入到本文中。
背景技术
一般来说，二次电池(secondarybattery)包括电池外壳和连同电解质容纳在电池外壳中的电极组件。
该电极组件具有正电极、分离器(separators)和负电极交替堆叠的结构。电极组件的正电极和负电极分别包括由铝箔(Al-箔)和铜箔(Cu-箔)组成的集流体(currentcollectors)。正电极集流体和负电极集流体分别用正电极活性材料和负电极活性材料来涂布，并且将电极突起(electrodetab)连接至其没有涂布活性材料的部分。
为了实现二次电池的均匀充电和放电，正电极活性材料层和负电极活性材料应当准确地涂布在集流体上。为此，一般使用狭槽涂布机(slotcoater)来进行狭槽涂布(slotcoating)。
图1是示意性地示出用于执行狭槽涂布的一般的狭槽涂布机的必要配置(essentialconfiguration)。如图1所示，该狭槽涂布机包括：进给单元10，用于引入活性材料涂布液；歧管(manifold)11，该歧管具有大体半圆柱形形状以容纳通过进给单元10供应的涂布材料；狭缝12，与歧管11相通，以排出该涂布液；以及形成有狭缝(slit)12的模唇(dielip)13。
涂布液通过进给单元10流入歧管11中以填充歧管11，并且通过狭缝12排出。
从狭缝12排出的涂布液被涂布到连续行进(progressing)的基板上。被涂布到基板上的活性材料的涂布宽度由对应于歧管11的长度的狭缝12的宽度来决定。
关于该狭槽涂布机，专利文献1公开了一种为了连续均匀形成电极涂布催化剂浆料的狭槽涂布模(aslotcoatingdie)的内部设计方法，包括以下步骤：选择流体模型来从催化剂浆料流体的可变性质的信息(variablepropertyinformation)中分析模(adie)中流体的流动特性；考虑到该催化剂浆料流体的可变性质，确定在狭缝涂布模中的腔室形式；以及确定用于形成厚度均匀的催化剂层的工艺条件。
在专利文献1中，考虑到在模的宽度方向上在中心部分处流速快而在两端部分处流速慢的流速关系，该腔室被设计成具有吊钩式的半圆柱形形状并且中心部分凸起，使得涂布液在宽度方向上具有均匀的速度分布。
但是，如上所述如果通过改变腔室的形状来改善流速偏差，那么，当为了提高生产率而使涂布宽度大大增加时，再把腔室设计成具有吊钩式形状就会使得狭槽模(slotdie)体积过大。
专利文献2公开了一种用于精确涂布的装置和方法，其被配置为通过安装具有不同形状的唇缘(lips)以相互交换来在最佳状态下排出涂布液。在专利文献2中，精确涂布的装置包括：固定块；上游模和下游模，所述上游模和所述下游模分别安装在上游模块和下游模块上，所述上游模块和所述下游模块被固定到所述固定块；上游唇和下游唇，所述上游唇和所述下游唇可以以可交换的方式分别固定到所述上游模和所述下游模；以及歧管，用于供应涂布液。
同时，提出一种用于通过改变限定歧管内部空间和狭缝宽度的垫板的设计的尺寸值来实现各种涂布宽度的技术。换言之，如图2所示，为了能够增加涂布面积，具有长长度的歧管11和具有与歧管相似大小的宽垫板14a、14b、14c被采用以对应于涂布宽度，并且在垫板14a、14b、14c之间的每个区域处均设置非涂布部分15，使得排出单元16a、16b、16c被在狭槽涂布机中的非涂布部分15分开。
然而，在如上配置的狭槽涂布机中，具有管形状的进给单元10’连接至歧管11的中心，使得流过该中心的流体具有相对较快的流速。为此，被非涂布部分15分开的对应于垫板14a、14b、14c的排出单元16a、16b、16c处的流速彼此不同(见图3的曲线图)，因此，由排出单元16a、16b、16c涂布的是不同量的流体，这会使得最终产品的均匀性变差。因此，迫切地需要改进。
相关文献
专利文献
专利文献1：韩国未审查专利公开No.2011-0098578
专利文献2：韩国未审查专利公开No.2004-0084013
发明内容
设计本发明以解决现有技术中的问题，因此，本发明旨在提供一种狭槽涂布机，该狭槽涂布机可以控制流体的粘度，使得在由垫板的非涂布部分分开的排出单元之间的出口流速的偏差可以减少。
在本发明的一个方面中，提供一种狭槽涂布机，所述狭槽涂布机包括：进给单元(feedingunit)，所述进给单元具有供所述涂布液(coatingfluid)流入的通道；歧管，所述歧管用于容纳通过所述进给单元供应的涂布液；排出单元，所述排出单元与所述歧管相通以排出容纳在所述歧管中的涂布液；多个垫板，所述多个垫板在所述歧管的长度方向上以规则的间隔布置；以及，温度控制单元，所述温度控制单元用于在相对靠近所述进给单元的垫板与相对远离所述进给单元的垫板之间产生温度差。
所述温度控制单元可以是加热单元，用于给所述相对远离所述进给单元的垫板加热以使得所述相对远离所述进给单元的垫板具有高于所述相对靠近所述进给单元的垫板的温度。
所述进给单元可以连接至所述歧管在长度方向上的中心，位于所述歧管两端的垫板可以被加热以具有高于最接近所述进给单元的位于所述歧管的中心的垫板的温度。
所述加热单元可以被设置在位于所述歧管两端的垫板的至少一个表面上。
所述加热单元可以被设置在所述垫板的上表面和下表面上，并且同时加热所述垫板的上表面和下表面。
所述涂布液可以含有作为溶剂的水或N甲基吡咯烷酮(NWP)，并且所述加热单元的工作温度(operationtemperature)可以被设置为低于所述溶剂的沸点。
所述温度控制单元可以是冷却单元，用于将所述相对靠近所述进给单元的垫板的温度保持为具有低于所述相对远离所述进给单元的垫板的温度。
所述进给单元可以连接至所述歧管在长度方向上的中心，并且最接近所述进给单元的位于所述歧管中心的垫板可以经冷却以具有低于位于所述歧管两端的垫板的温度。
所述进给单元可以由管制成，并且所述冷却单元可以是冷却管，所述冷却管被插入到所述进给单元的通道中，并且将冷却水供应到所述冷却管中。
所述涂布液可以包含作为溶剂的水或NMP，并且，所述冷却单元的工作温度可以被设置为高于所述溶剂的凝固点。
涂布宽度可以由所述歧管的长度来决定，并且因在所述多个垫板之间的间隔而形成非涂布部分。
所述垫板可以具有长方形主体，并且所述垫板可以设置为使得在所述长度方向的一端定位为朝向所述歧管，而另一端则定位为朝向该排出单元。
可以以规则的间隔设置奇数个垫板，并且位于所述奇数个垫板的中间的垫板可以最接近于所述进给单元。
所述垫板可以具有0.5mm至1.5mm的厚度。
根据本发明的具有流体控制单元的狭槽涂布机具有以下技术效果。
第一，通过将进给单元保持在相对低的温度，或者将位于狭槽涂布机两侧的垫板加热至高于位于中心的垫板的温度，可以减少由进给单元的位置引起的流体的流速偏差，以确保均匀的狭槽涂布。
第二，通过提供用于给垫板表面加热的结构，可以精确地控制该涂布液的流速。
第三，通过调整供应到进给单元的冷却水的温度，可以精确地控制该涂布液的流速。
附图说明
附图示出本发明的优选实施例，并且，连同前述内容一起，用以提供对本发明技术特征的进一步理解。然而，本发明不应被理解为受限于附图。
图1是示出一般的狭槽涂布机外观的透视图；
图2是示出具有形成在垫板之间的非涂布部分的现有狭槽涂布机的必要配置(essentialconfiguration)的透视图；
图3是示出现有狭槽涂布机的出口流速分布的实例的曲线图；
图4是示出根据本发明的第一实施例的狭槽涂布机的必要配置的透视图；
图5是示出根据本发明的第一实施例的狭槽涂布机的出口流速的分布的实例的曲线图；
图6是示出根据本发明的第二实施例的狭槽涂布机的必要配置的透视图；
图7是示出根据本发明的第二实施例的狭槽涂布机的出口流速的分布的实例的曲线图。
具体实施方式
下文将参考附图详细描述本发明的优选实施例。在描述之前，应理解，在本说明书中使用的术语和所附权利要求不应被理解为受限于一般的含义或词典上的含义，而是应基于允许发明人恰当定义术语以便于最佳说明的原则，根据对应于本发明技术方面的含义和概念来加以解释。因此，本文所提出的描述仅仅是为便于说明的优选的实例，而不应用来限制本发明的范围，因此，应理解，也可以在不脱离本发明范围的前提下做出其他等效替代和修改。
图4是示出根据本发明第一实施例的狭槽涂布机的必要配置的透视图。
参见图4，根据本发明的第一实施例的狭槽涂布机包括：进给单元100，用于引入包含涂布材料的涂布液(coatingfluid)；歧管101，用于容纳通过进给单元100供应的涂布液；与歧管101相通的排出单元103a、103b、103c；在歧管101的长度方向上布置的多个垫板102a、102b、102c；以及设置在垫板102a、102c的一部分上的加热单元105。尽管为了更好地理解狭槽涂布机的内部配置而没有在图4中示出，但是狭槽涂布机进一步包括形成排出单元103a、103b、103c的模唇(dielip)13(见图1)。
进给单元100提供了通道，涂布液通过该通道流入到歧管101中，并且进给单元100优选地由连接至歧管101在长度方向上的中心的管制成。通过进给单元100引入的涂布材料可以使用用于电极的活性材料浆料。
歧管101具有腔室块，该腔室块具有用作缓冲区域的内部空间以容纳涂布液。歧管101的内部空间可以具有大体半圆柱形形状。歧管101的长度决定了狭槽涂布机的涂布宽度。
排出单元103a、103b、103c具有狭缝结构，该狭缝结构形成为与歧管101相通，使得容纳在歧管101中的涂布液可以排出。
多个垫板102a、102b、102c在歧管101的长度方向上以规则的间隔布置。非涂布部分104形成在多个垫板102a、102b、102c之间的每个区域中，并且在该非涂布部分中不排出涂布液。在本发明中，可以以规则的间隔设置奇数个垫板102a、102b、102c，并且位于中心处的垫板102b被设置为最靠近进给单元100。在本发明中，垫板的数量和非涂布部分的数量不限于在附图中所示的实例，而是可以以多种方式加以改变。
垫板102a、102b、102c中的每一个具有长方形板体(arectangularplatebody)，并且垫板102a、102b、102c中的每一个被设置为使得其在长度方向上的一端定位为朝向歧管101，而另一端定位为朝向排出单元103a、103b、103c。考虑到对于一般狭缝涂布工艺所要求的规格，垫板102a、102b、102c可以由厚度为0.5mm或0.5mm以上的金属制成。此外，垫板102a、102b、102c可以具有1.5mm或1.5mm以下的厚度。如果垫板102a、102b、102c的厚度大于1.5mm，可能会在狭槽涂布机的中心部分与边缘部分之间产生大的流速偏差。
加热单元105分别安装在位于狭槽涂布机两边缘的垫板102a、102c处。加热单元105具有加热功能使得与其对应的垫板102a、102c具有相对高于位于中心的垫板102b的温度。为此，加热单元105分别被设置在歧管101基于其中心的两侧处的垫板102a、102c的上表面和下表面处。
使用常见技术方法诸如热风鼓风机或红外线(IR)加热器来实现加热单元105。为了实现均匀涂布，加热单元105的工作温度应当设置为适合于涂布液的性质(property)。具体来说，如果在涂布液中所含的溶剂为水，那么加热单元105的工作温度可以被设置为低于水的沸点100℃。同时，如果在涂布液中所含的溶剂为N甲基吡咯烷酮(NWP)，那么加热单元105的工作温度可以设置为低于NMP的沸点202℃。
通过狭槽涂布机两边缘排出的涂布液经加热单元105加热后，粘度降低，因此，相比起未加热的状态，涂布液能够以更快的流速来流动。因此，朝狭槽涂布机的中心快速流动的涂布液和流向狭槽涂布机两边缘的涂布液可以被控制为具有基本上相同的流速。
为了检查加热单元105的运作，在以下条件下进行狭缝涂布工艺：通过设置使得垫板102a、102b、102c具有1mm的厚度，而流入进给单元100的涂布液具有25℃的温度，而由加热单元105加热的垫板102a、102c具有37℃的温度。此外，该狭槽涂布机的形状、流速、尺寸等与对应于图3的现有狭槽涂布机的形状、流速、尺寸等基本上相同。
参见图3和图5，在现有狭槽涂布机的情况中，在位于中心的排出单元103b的平均流速与位于两边缘的排出单元103a、103c的流速之间的偏差约为0.63％。然而，在满足上述温度条件的根据本发明的狭槽涂布机的情况中，在位于中心的排出单元103b的平均流速与位于两边缘的排出单元103a、103c的流速之间的偏差约为0.01％，因此可以发现基本上没有偏差产生。
由于基本上没有产生涂布液的出口流速偏差，所以根据本发明第一实施例的如上配置的狭槽涂布机可以执行均匀狭缝涂布。由涂布溶液供应单元供应的涂布液通过进给单元100流入到歧管101中以填充歧管101，然后通过排出单元103a、103b、103c的狭缝朝预定的涂布辊排出。此外，从排出单元103a、103b、103c排出的涂布液被涂布到基板上，基板通过涂布辊连续行进。
参见涂布液的移动过程，在根据本发明的狭槽涂布机中，即使进给单元100位于歧管101在长度方向上的中心部分，由于位于歧管101两侧的垫板102a、102c的温度被保持为高于位于中心的垫板102b的温度，从而可以防止产生流速偏差。换言之，位于歧管101两侧的垫板102a、102c通过设置在其上的加热单元105局部地加热以保持高于位于中心部分的垫板102b的温度，因此，位于两边缘的涂布液相比起中心部分的涂布液具有相对较低的粘度，从而确保较高的流速。因此，排出单元103a、103b、103c整体上表现出规则的流速分布。此外，由于排出单元103a、103b、103c中的每一个的流体粘度通过加热单元105的温度控制来调整，所以可以准确地控制排出的速率。
图6是根据本发明第二实施例的狭槽涂布机的必要配置的透视图。
参见图6，根据本发明第二实施例的狭槽涂布机包括：进给单元100，用于引入含有涂布材料的涂布液；歧管101，用于容纳通过进给单元100供应的涂布液；与歧管101相通的排出单元103a、103b、103c；在歧管101的长度方向上布置的多个垫板102a、102b、102c；以及设置在进给单元100上的冷却单元106。尽管为了更好地理解狭槽涂布机的内部配置而没有在图6中示出，但是该狭槽涂布机还包括形成排出单元103a、103b、103c的模唇13(见图1)。
在本实施例中，进给单元100、歧管101、排出单元103a、103b、103c和垫板102a、102b、102c与前一个实施例中所述相关内容基本相同，所以不会在此详细描述。
冷却单元106将最靠近进给单元100，即，位于歧管101的中心的垫板102b冷却以使垫板102b具有低于位于两边缘的垫板102a、102c的温度。为此，冷却单元106可以被配置为具有冷却管，该冷却管被插入到用作进给单元100的管的中空部分，并且往冷却管中供应冷却水。此时，用作冷却单元106的冷却管可以具有一个封闭的末端。或者，可以提供预定的管线(pipeline)以与末端部分相通使得冷却水可以循环。
为了实现均匀涂布，冷却单元106应当被设置为具有适合于涂布液的性质的温度。具体地，如果在涂布液中所含的溶剂是水，那么冷却单元106可以具有高于水凝固点0℃的温度。同时，如果在涂布液中所含的溶剂是甲基吡咯烷酮(NMP)，那么冷却单元106可以具有高于NMP凝固点-24℃的温度。
通过狭槽涂布机中心部分排出的涂布液经冷却单元106冷却而具有增加的粘度，因此，与未冷却的正常温度状态相比，涂布液以相对较慢的流速流动。因此，以降低的流速朝狭槽涂布机的中心流动的涂布液和流向狭槽涂布机的两边缘的涂布液可以经控制而具有极小的流速偏差。
为了检查冷却单元106的运作，在以下条件下执行狭缝涂布工艺：通过设置使得垫板102a、102b、102c具有1mm厚度，流入进给单元100中的涂布液具有25℃的温度，并且供应到冷却单元106的冷却水具有-20℃的温度。此外，该狭槽涂布机的形状、流速、尺寸等与对应于图3的狭缝涂布机的形状、流速、尺寸等基本上相同。
参见图3和图7，在现有狭槽涂布机的情况中，在位于中心的排出单元103b的平均流速与位于两边缘的排出单元103a、103c的流速之间的偏差约为0.63％。然而，在满足上述温度条件的冷却水被供应到进给单元100的根据本发明的狭槽涂布机的情况中，在位于中心的排出单元103b的平均流速与位于两边缘的排出单元103a、103c的流速之间的偏差约为0.17％，因此，可以发现偏差降到约为原来的1/4。
由于相对于现有技术涂布液的出口流速偏差大大减少，根据本发明的第二实施例的如上配置的狭槽涂布机可以进行均匀的狭槽涂布。由涂布溶液供应单元供应的涂布液通过进给单元100流入到歧管101中以填充歧管101，然后通过排出单元103a、103b、103c的狭缝朝预定的涂布辊(coatingroll)排出。此外，从排出单元103a、103b、103c排出的涂布液被涂布到基板上，基板通过涂布辊连续行进。
参见涂布液的移动过程，在根据本发明的狭槽涂布机中，即使进给单元100位于歧管101在长度方向上的中心部分，由于位于歧管101中心的垫板102b的温度被保持为低于位于两侧的垫板102a、102c的温度，因而可以防止产生流速偏差。换言之，位于歧管101中心的垫板102b通过设置在垫板102b上的冷却单元106冷却，使得垫板102b的温度保持低于位于两侧的垫板102a、102c的温度，因此，与两边缘的涂布液相比，位于中心部分的涂布液具有相对较高的粘度，从而确保了较低的流速。因此，排出单元103a、103b、103c整体上表现出规则的流速分布。此外，由于排出单元103a、103b、103c中的每一个的流体粘度通过使用供应到冷却单元106的冷却水的温度控制来调整，所以可以准确地控制排出的速率。
已经对本发明进行了详细描述。但是，应理解，表示本发明的优选实施例的详细描述和具体实例仅是通过说明的方式给出，因为在本发明范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员来说从本文的详细的描述中变得一目了然。
工业适用性
如果应用本发明，可以实施一种狭槽涂布机，该狭槽涂布机能够将活性材料涂布溶液均匀地涂布到集流体上以确保二次电池的均匀充电/放电特性。
附图标记
100：进给单元
101：歧管
102a、102b、102c：垫板
103a、103b、103c：排出单元
104：非涂布部分
105：加热单元
106：冷却单元

Claims (14)

1.一种狭槽涂布机，包括：
进给单元，所述进给单元具有供涂布液流入的通道；
歧管，所述歧管用于容纳通过所述进给单元供应的涂布液；
排出单元，所述排出单元与所述歧管相通，以排出容纳在所述歧管中的涂布液；
多个垫板，所述多个垫板在所述歧管的长度方向上以规则的间隔布置；以及
温度控制单元，所述温度控制单元用于在位于相对靠近所述进给单元的垫板与位于相对远离所述进给单元的垫板之间产生温度差。
2.根据权利要求1所述的狭槽涂布机，
其中，所述温度控制单元为加热单元，用于给所述相对远离所述进给单元的垫板加热以使所述相对远离所述进给单元的垫板的温度高于所述相对靠近所述进给单元的垫板的温度。
3.根据权利要求2所述的狭槽涂布机，
其中，所述进给单元被连接至所述歧管在长度方向上的中心，并且
其中，位于所述歧管两端的垫板被加热以使所述歧管两端的垫板的温度高于最靠近所述进给单元的位于所述歧管的中心的垫板的温度。
4.根据权利要求3所述的狭槽涂布机，
其中，所述加热单元被设置在位于所述歧管两端的垫板的至少一个表面上。
5.根据权利要求4所述的狭槽涂布机，
其中，所述加热单元被设置在所述垫板的上表面和下表面上，并且同时对所述垫板的上表面和下表面进行加热。
6.根据权利要求2所述的狭槽涂布机，
其中，所述涂布液含有作为溶剂的水或N甲基吡咯烷酮(NMP)，并且
其中，所述加热单元的工作温度被设置为低于所述溶剂的沸点。
7.根据权利要求1所述的狭槽涂布机，
其中，所述温度控制单元为冷却单元，用于保持所述相对靠近所述进给单元的垫板的温度低于所述相对远离所述进给单元的垫板的温度。
8.根据权利要求7所述的狭槽涂布机，
其中，所述进给单元被连接至所述歧管在长度方向的中心，并且
其中，最靠近所述进给单元的位于所述歧管的中心的垫板被冷却以使所述最靠近所述进给单元的位于所述歧管的中心的垫板的温度低于位于所述歧管两端的垫板的温度。
9.根据权利要求8所述的狭槽涂布机，
其中，所述进给单元由管制成，并且
其中，所述冷却单元为冷却管，所述冷却管被插入到所述进给单元的所述通道中，并且冷却水被供应到所述冷却管中。
10.根据权利要求7所述的狭槽涂布机，
其中，所述涂布液含有作为溶剂的水或NMP，并且
其中，所述冷却单元的工作温度被设置为高于所述溶剂的凝固点。
11.根据权利要求1所述的狭槽涂布机，
其中，涂布宽度由所述歧管的长度来决定，并且
其中，因在所述多个垫板之间的间隔而形成非涂布部分。
12.根据权利要求1所述的狭槽涂布机，
其中，所述垫板具有长方形主体，并且
其中，所述垫板被设置为使得其在长度方向上的一端定位为朝向所述歧管而其另一端定位为朝向所述排出单元。
13.根据权利要求1所述的狭槽涂布机，
其中，以规则的间隔设置奇数个垫板，并且使位于所述奇数个垫板的中间的垫板最靠近所述进给单元。
14.根据权利要求1所述的狭槽涂布机，
其中，所述垫板具有0.5mm至1.5mm的厚度。
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