CN110418956B - 监测电极基板的干燥状态的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种监测在集流体上施加有电极浆料的电极基板的干燥状态的设备和方法。根据本发明的监测方法包括：将光照射到电极基板的表面上的步骤；接收被电极基板的表面反射的光的步骤；和分析接收的光的发光强度(luminous intensity)或光谱(spectrum)，以估算电极基板的干燥速率的步骤。根据本发明的监测其中电极浆料被施加到集流体上的电极基板的干燥状态的设备包括：发光部，该发光部将来自光源的光照射到电极基板的表面上；光接收部，该光接收部接收被电极基板的表面反射的光；和计算装置，该计算装置分析接收的光的发光强度(luminous intensity)或光谱(spectrum)，并且将分析的光的特性与预先获得的反射光的参考数据进行比较，以估算电极基板的干燥速率。

Description

监测电极基板的干燥状态的设备和方法
技术领域
本申请要求于2018年1月8日提交的韩国专利申请第10-2018-0002265号的优先权的权益，通过引用将该专利申请的全部内容结合在此。
本发明涉及一种监测电极基板的干燥状态的设备和方法，具体地，涉及这样一种监测电极基板的干燥状态的设备和方法，该设备和方法能够实时掌握经过干燥装置的内部而被干燥的电极基板的干燥状态。
背景技术
在包括个人便携式终端和电动车辆领域的各种领域中，对作为能源的二次电池的需求正在迅速增加。
与原电池不同，可再充电的二次电池正发展为不仅用于数字装置，而且还用于诸如电动车辆之类的车辆。
可根据正极和负极的材料和外形对二次电池进行各种分类。特别是，由锂化合物材料制成的锂二次电池因其大容量和低自放电率而取代根据相关技术的镍镉二次电池用作各种装置的电源。
这种锂二次电池具有其中用于充放电能的电极组件内置于壳体中的结构。电极组件具有其中负极、隔膜和正极堆叠并且与电解质一起内置于壳体(袋型壳体或圆柱型壳体等)中的结构。
正极、负极和隔膜的每一个由考虑到电池寿命、充电/放电容量、温度特性、安全性等而选择的材料制成。重复进行锂离子从正极的锂金属氧化物嵌入(Intercalation)负极/从负极脱嵌(Deintercalation)的过程，从而对锂二次电池进行充电/放电。
构成电极组件的电极(正极和负极)通过离子交换产生电流，通过在将电极浆料施加到由铝箔或铜箔制成的集流体的表面后执行干燥工序的电极基板上加工接片，并且将电极基板切割成适当尺寸来制造正极和负极的每一个。
通常，负极具有其中碳基活性材料被施加到由铜、铝等制成的集流体的结构，正极具有其中包含LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2等的活性材料被施加到由铝等制成的集流体的结构。
将正极活性材料和负极活性材料的每一种以其中溶剂和活性材料彼此混合的电极浆料状态施加到集流体的表面。就是说，将电极浆料施加到集流体的表面以制造电极基板。此外，对电极基板执行干燥工序，使得电极浆料的溶剂蒸发，从而将集流体表面上的电极活性材料固化。
就是说，如图1中所示，作为金属薄板提供的集流体2a从展开辊1a展开并且卷绕在卷绕辊1b上的同时，通过涂覆机7在集流体2a的表面上涂覆有电极浆料的电极基板2通过各辊6而经过干燥室4a、4b和4c，从而被干燥，然后卷绕在卷绕辊1b上。在干燥装置4中设置有一个或多个干燥室4a、4b和4c，并且通过加热器5中产生的热源控制干燥室4a、4b和4c的每一个的温度。
根据电池容量和原料的变化，干燥工序需要不同的干燥条件。特别是，因为电极基板变得更厚，所以用于制造高容量电池的高负载电极(每单位面积具有高充电/放电容量的电极)需要更精确的干燥条件。
结果，可选择其中干燥速率根据电极基板的厚度增加而增加的方法。然而，在这种情况下，这可能是电极表面上的裂缝的主要原因，此外，电极粘附力可劣化。然而，为了防止发生这种问题，如果降低干燥速率，则产率可降低。
然而，根据相关技术，存在下述一种方法：在干燥室中设置温度计，并且通过内部温度来估算电极基板的干燥速率，或者通过仅检测电极基板的表面温度来估算电极基板的干燥速率。然而，该测量方法可将干燥室的内部分为预热区段(温度升高的区段)/恒定速率区段(温度恒定保持的区段)/降低速率区段(温度降低的区段)。然而，缺点在于不能分解占据电极干燥区段的大部分的恒定速率区段。
因而，为了在保持电极质量的同时干燥高负载电极的涂层，需要一种即使在干燥器的恒定速率区段中也能监测电极的干燥状态的新的测量方法。
发明内容
技术问题
因此，本发明的主要目的是提供一种监测电极基板的干燥状态的设备和方法，该设备和方法能够更有效地估算或确认在干燥器中被干燥的电极基板的干燥状态。
就是说，由于当电极基板在干燥器内被干燥时，电极基板的表面光泽度倾向于根据电极浆料的固体含量的降低而变化，因此本发明提供了一种通过表面光泽度的变化来估算干燥速率的方法。
根据本发明的监测方法的优点在于，因为通过电极浆料的光泽度的变化来估算干燥速率，所以无论干燥室内的温度如何(无论外部因素如何)都能掌握干燥状态。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的监测在集流体上施加有电极浆料的电极基板的干燥状态的方法包括：将光照射到所述电极基板的表面上的步骤；接收被所述电极基板的所述表面反射的光的步骤；和分析接收的光的发光强度(luminous intensity)或光谱(spectrum)，以估算所述电极基板的干燥速率的步骤。
所述电极浆料可包含反射特性根据干燥状态而变化的参考材料。
根据本发明，当所述电极浆料达到特定范围内的干燥速率时，所述参考材料的反射特性可具有比当所述电极浆料处于不同的范围内的干燥速率时反射特性变化更加急剧的区段。
根据本发明的实施方式，所述参考材料可以是石墨，优选为人造石墨，并且照射到所述电极基板的所述表面上的光可以是具有可见光波段的光。
根据本发明，在预先获得表现出反射光根据所述电极基板的干燥状态的特性的参考数据的状态下，可将接收的光的特性与所述参考数据进行比较，以估算所述干燥速率。
在根据本发明的监测方法中，干燥所述电极基板的干燥装置可配置成使得所述电极基板通过经过被施加热量的干燥室而被干燥，并且可基于估算的所述电极基板的干燥速率的数据来执行对所述干燥室的温度控制。
此外，本发明额外提供了一种监测电极基板的干燥状态的设备。所述监测在集流体上施加有电极浆料的电极基板的干燥状态的设备包括：发光部，所述发光部将来自光源的光照射到所述电极基板的表面上；光接收部，所述光接收部接收被所述电极基板的所述表面反射的光；和计算装置，所述计算装置分析接收的光的发光强度(luminousintensity)或光谱(spectrum)，并且将分析的光的特性与预先获得的反射光的参考数据进行比较，以估算所述电极基板的干燥速率。
所述发光部和所述光接收部可安装成一起内置于探针中，并且所述探针可设置成使得所述探针的一端与所述电极基板的所述表面间隔开预定距离。
根据本发明的实施方式，所述光接收部可设置在所述探针内的中央，多个发光部可沿所述光接收部的周边设置，并且从所述发光部发射的光可以是具有可见光波段的光。
有益效果
由于具有上述构成的本发明可在不直接接触电极基板表面的情况下掌握干燥状态，因此可防止电极基板的表面被损坏或刮擦。此外，由于电极基板不受干燥室的内部条件影响，因此可提高测量结果的可靠性。
附图说明
图1是干燥电极基板的干燥装置的简化投影视图。
图2是根据本发明实施方式的监测设备的简化视图。
图3是用于搅拌溶剂和电极活性材料的装置的透视图以及内部叶片的视图。
图4是图解图3的叶片所需的扭矩根据施加到电极基板的电极浆料的固体含量(％)的变化而变化的曲线图以及图解溶剂和电极活性材料的搅拌状态的视图。
图5是图解根据施加到电极基板的电极浆料的固体含量(％)的变化，在电极基板的表面上发光强度变化的状态的视图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得发明所属领域的技术人员可容易实现本发明的技术构思。然而，本发明可以以不同的形式来实施，不应被解释为限于在此阐述的实施方式。
为了清楚地说明本发明，与该描述不相关的部件被省略，并且在整个说明书中以相同的参考标记来表示相同或相似的部件。
此外，本说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应被限制性地解释为普通含义或基于词典的含义，而是应当基于发明人可恰当地定义术语的概念从而以最佳方式描述和解释他或她的发明的原则解释为符合本发明范围的含义和概念。
本发明提供了一种监测在集流体上施加有电极浆料的电极基板的干燥状态的设备和方法。
根据本发明的实施方式，电极是负极，并且制造成负极的集流体设置为铜薄板或铝薄板。电极浆料具有其中溶剂和负极活性材料彼此混合的结构并且电极浆料被施加到集流体的一个表面或两个表面。此外，当对电极浆料执行干燥工序时，溶剂被蒸发，从而将负极活性材料固化在集流体的表面上，使得电极浆料粘附到集流体。在此，尽管基于负极做出说明，但是相同或相似的原理可应用在制造正极的工序中。
下文中，将参照附图描述根据本发明的优选实施方式。
实施方式1
在该实施方式中，提供了一种监测电极基板的干燥状态的方法。将考虑并且描述为在电极基板连续经过的干燥装置4中执行该实施方式。如上所述，干燥装置4是这样的装置，在该装置中，集流体2a从展开辊1a展开，干燥表面施加有电极浆料的电极基板2之后，在电极基板2卷绕在卷绕辊1b上的期间内干燥并加热喷射或施加于集流体2a的表面的电极浆料。在入口与出口之间设置有至少一个或多个干燥室4a、4b和4c。
在该实施方式中，监测电极基板的干燥状态的方法包括：将光照射到涂覆有电极浆料的电极基板2的表面上的步骤；接收被电极基板2的表面反射的光(被电极浆料反射的光)的步骤；和分析接收的光的发光强度(luminous intensity)或光谱(spectrum)，以估算电极基板的干燥速率的步骤。
就是说，如图2中所示，在干燥室4a、4b和4c中的一个或多个中设置有探针30。在此，在探针30的一端中内置有光接收部20和发光部10，从而将光照射到涂覆有电极浆料的集流体的表面上并且通过光接收部20接收光。通过计算装置40分析接收的光，以确定反射特性。
根据本发明的电极浆料包含参考材料，参考材料具有根据干燥状态可变化的反射特性。优选地，参考材料被包含为构成活性材料的主要成分。当达到特定范围内的干燥速率时，参考材料的反射特性具有比当电极浆料处于不同范围内的干燥速率时反射特性变化相对更加急剧的区段。
例如，在本发明的实施方式中，参考材料可以是石墨，优选是人造石墨，并且照射到电极基板2的表面上的光是具有可见光波段的光。
作为参考，如上所述，通过将电极活性材料溶解在有机溶剂中来制备电极浆料。如图3中所示，通过混合器50中的叶片51搅拌来制备电极活性材料。在此，随着电极活性材料的含量增加，电极活性材料的颗粒S和有机溶剂的状态改变为：(a)摆动状态(Pendular：液体和颗粒不连续存在)；(b)缆索状态(Funicular：液体和颗粒连续的状态)；(c)毛细管状态(Capillary：颗粒和液体在潮湿状态下彼此良好结合的状态)；和(d)泥浆状态(Slurry：浓稠状态)。
图4是图解根据电极浆料的固体含量(％)，扭矩大小的曲线图。扭矩是指在混合器50的叶片51搅拌溶剂和电极活性材料时所需的扭矩。如曲线图中所示，扭矩在72％至73％的固体含量时最高。在此，如图5中所示，可以看出，当固体含量为72％至73％(iii和iv之间)时，电极浆料的发光强度的变化最大。
就是说，在该实施方式中，可以看出，电极浆料的反射特性在搅拌电极浆料时扭矩为最大的固体含量附近最快速地变化。在图5中，线“A”、“B”和“C”表示包含不同参考材料的电极浆料的特性。然而，证实了所有上述材料共同表现出，反射特性在搅拌电极浆料时扭矩为最大的固体含量附近最快速地变化。
因而，在知晓电极浆料基于电极基板2的干燥速率的发光强度和/或反射特性的情况下，当比较正被干燥的电极浆料的发光强度和/或反射特性时，可估算干燥速率。
就是说，本发明提供了一种通过利用表面光泽度根据电极浆料的干燥的变化与电极浆料的固体含量的变化相似的现象来估算干燥状态的方法。当电极浆料在搅拌期间具有最高扭矩时，溶剂和溶质(电极活性材料)之间的结合力最大。在此，电极浆料可更有效地粘附到集流体的表面。因此，根据本发明的方法可实时提供监测数据来控制干燥装置，从而确保最大粘附力。
可通过根据各种参考材料的重复实验来获得表现出反射光基于电极基板2的干燥速率的特性的参考数据，并且在预先获得数据的状态下，计算装置40可通过比较和分析接收的光的测量值和参考数据来估算干燥速率。此外，还可通过重复实验，根据控制条件、变量和参考材料的类型来进行干燥速率的估算值的误差校正，以接近实际干燥速率。
此外，可在如图1中所示具有多个干燥室4a、4b和4c的干燥装置4中的一个选定位置或在各种位置实时执行如上所述的监测方法。就是说，在电极基板2经过其中而被干燥的干燥装置4中，可基于估算的电极基板2的干燥速率的数据来执行对被施加热量的干燥室4a、4b和4c的每一个的温度控制。
实施方式2
此外，本发明额外提供了一种监测电极基板2的干燥状态的设备100。该实施方式中提供的监测设备100的至少一部分可拆卸地安装于上述干燥装置4的干燥室(更具体地，探针可安装在干燥室内部，计算装置可安装在干燥室外部)并且可制造成对干燥室的内部温度具有足够的耐热性。
设备100是监测在集流体上施加有电极浆料的电极基板2的干燥状态的设备，并且包括：发光部10，发光部10将光源11中产生的光照射到电极基板2的表面上；光接收部20，光接收部20接收被电极基板2的表面反射的光；和计算装置40，计算装置40分析接收的光的发光强度和/或光谱，并且将分析的光的特性与预先获得的反射光的参考数据进行比较，以估算电极基板的干燥速率。
发光部10和光接收部20的每一个由光能够通过的光纤制成，并且配置成传输来自光源11的光或者将反射光传输到计算装置40。发光部10和光接收部20可安装成一起内置于探针30中。就是说，探针30具有内部中空管形状，并且光接收部20和发光部10一起插入到探针中。
如图2中所示，在该实施方式中，光接收部20设置在探针30内的中央，并且多个发光部10沿光接收部20的周边设置。发光部10可配置成发射具有可见光波段的光，并且还配置成选择性地发射具有其他波长的光。探针30设置成使得探针30的一端与电极基板2的表面间隔开预定距离(优选为1mm至5mm)。
因而，光源11中产生的光通过发光部10照射到电极基板2的表面(更详细地说，照射到施加于集流体表面的电极浆料的表面)，并且反射光通过光接收部20传输到计算装置40。在此，计算装置40分析反射光的特性，以估算干燥速率。
由于具有上述构成的本发明可在不直接接触电极基板表面的情况下掌握干燥状态，因此可防止电极基板的表面被损坏或刮擦。此外，由于电极基板不受干燥室的内部条件影响，因此可提高测量结果的可靠性。
尽管已经参照具体实施方式描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离在随后权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可做出各种变化和修改。

Claims (9)

1.一种监测在集流体上施加有电极浆料的电极基板的干燥状态的方法，所述方法包括：
将光照射到所述电极基板的表面上的步骤；
接收被所述电极基板的所述表面反射的光的步骤；和
分析接收的光的发光强度或光谱，以估算所述电极基板的干燥速率的步骤，
其中所述电极浆料包含参考材料，所述参考材料的反射特性根据干燥状态而变化，使得表面光泽度根据所述电极浆料的干燥的变化与所述电极浆料的固体含量的变化相似，
其中，当所述电极浆料达到特定范围内的干燥速率时，所述参考材料的反射特性具有比当所述电极浆料处于不同的范围内的干燥速率时反射特性变化更加急剧的区段。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考材料是石墨。
3.根据权利要求1所述的方法，其中照射到所述电极基板的所述表面上的光是具有可见光波段的光。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在预先获得表现出反射光根据所述电极基板的干燥状态的特性的参考数据的状态下，将接收的光的特性与所述参考数据进行比较，以估算所述干燥速率。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中干燥所述电极基板的干燥装置配置成使得所述电极基板通过经过被施加热量的干燥室而被干燥，并且
基于估算的所述电极基板的干燥速率的数据来执行对所述干燥室的温度控制。
6.一种监测在集流体上施加有电极浆料的电极基板的干燥状态的设备，所述设备包括：
发光部，所述发光部将来自光源的光照射到所述电极基板的表面上；
光接收部，所述光接收部接收被所述电极基板的所述表面反射的光；和
计算装置，所述计算装置分析接收的光的发光强度或光谱，并且将分析的光的特性与预先获得的反射光的参考数据进行比较，以估算所述电极基板的干燥速率，
其中所述电极浆料包含参考材料，所述参考材料的反射特性根据干燥状态而变化，使得表面光泽度根据所述电极浆料的干燥的变化与所述电极浆料的固体含量的变化相似，
其中，当所述电极浆料达到特定范围内的干燥速率时，所述参考材料的反射特性具有比当所述电极浆料处于不同的范围内的干燥速率时反射特性变化更加急剧的区段。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述发光部和所述光接收部安装成一起内置于探针中，并且
所述探针设置成使得所述探针的一端与所述电极基板的所述表面间隔开预定距离。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述光接收部设置在所述探针内的中央，并且多个发光部沿所述光接收部的周边设置。
9.根据权利要求6所述的设备，其中从所述发光部照射的光是具有可见光波段的光。
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