JP2024520545A - 電極製造装置、電極製造方法および二次電池用電極 - Google Patents
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Abstract
本発明は、コンベヤラインを駆動するローラーのうち磁石を含むローラーを含むことにより、乾燥過程でバインダーの浮き上がり現象を抑制し、活物質層と集電体との間の接着力を向上させ、リチウムイオンのイオン伝導性を向上させることができる。
Description
本出願は、２０２２年２月１４日付の韓国特許出願第１０－２０２２－００１８６３０号および２０２３年２月６日付の韓国特許出願第１０－２０２３－００１５４７０号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本発明は、活物質層内のバインダーおよび導電材の浮き上がりを抑制する電極製造装置、電極製造方法およびそれを用いて製造された二次電池用電極に関するものである。
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加により、二次電池の需要も急激に増加している。その中でも、リチウム二次電池は、エネルギー密度と作動電圧が高く、保存と寿命特性に優れるという点で、各種モバイル機器はもちろん、多様な電子製品のエネルギー源として広く使用されている。
また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車、ディーゼル車などに起因する大気汚染などを解決するための対策として提示されている電気自動車またはハイブリッド電気自動車などのエネルギー源として注目されている。電気自動車のエネルギー源として適用するためには、高出力の電池が必要である。
二次電池、特にパウチ型二次電池は、正極、負極、および上記正極と負極との間に分離膜が介在された構造の電極組立体を含む。上記正極と負極は、集電体上に活物質層が形成された構造である。具体的には、集電体上に電極スラリーを塗布した後に、乾燥過程を経て電極を製造する。
活物質層は、活物質粒子、バインダーおよび導電材を溶媒に分散させた電極スラリーを集電体に塗布および乾燥させて形成する。あるいは、活物質層は、電極スラリーを別途の支持体の上部に塗布および乾燥させた後に、その支持体から剥離したフィルムを集電体上にラミネーションする方法で形成する。
活物質層を構成する成分のうち、導電材は、活物質層に化学的変化を誘発せずに導電性を付与するために使用する。また、バインダーは、活物質または導電材粒子の間はもちろん、活物質と集電体との間を固定および連結する機能を果たすため、電極の性能に大きな影響を与える。
図１は、従来技術に係る二次電池用負極の乾燥過程を図示したものである。具体的には、図１は、活物質層が形成された電極シートがコンベヤラインに沿って水平に移動しながら時間と共に乾燥される過程を模式的に図示したものである。図１を参照すると、（ａ）は、集電体である銅ホイル上に負極スラリーが塗布された直後の成分の分布状態を示したものであり、（ｂ）は、乾燥中の電極の状態を示したものである。また、（ｃ）は、乾燥を終えた電極の状態を示したものである。（ａ）を参照すると、負極スラリーは、負極活物質である炭素成分（Ｃ）、導電材であるカーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ、ＣＮＴ）、第１バインダー成分であるスチレン－ブタジエンゴム（ｓｔｙｒｅｎｅ－ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ、ＳＢＲ）、第２バインダー成分であるカルボキシルメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｌ ｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、ＣＭＣ）、および溶媒である水（Ｈ２Ｏ）などを含む。（ａ）の下のグラフを参照すると、各成分は活物質層の高さに応じて均一な濃度で分散された状態である。（ｂ）を参照すると、乾燥過程を経ている間、溶媒である水（Ｈ２Ｏ）が蒸発し、活物質層の高さが低くなっている。同時に、負極活物質（Ｃ）、導電材（ＣＮＴ）、バインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）成分の濃度は上方に向かうほど高くなった状態である。さらに、（ｃ）を参照すると、乾燥が完了した地点で、バインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）と導電材（ＣＮＴ）成分は上方に集中して分散された状態である。
電極の乾燥過程で、溶媒である水（Ｈ２Ｏ）が蒸発し、相対的に比重が低いバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）と導電材（ＣＮＴ）の流動性（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）を誘発する。これにより、バインダーが活物質層の上方に集中されるバインダーの浮き上がり現象（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）が発生する。このようなバインダーの浮き上がり現象は、集電体と活物質層との間の接合力を低下させ、リチウムイオンの移動を阻害する原因として作用する。
したがって、電極製造の工程効率を阻害せずに、電極の乾燥過程で発生するバインダーの浮き上がり現象を効果的に抑制する技術に対する必要性がある。
本発明は、上記のような問題点を解決するために創案されたものであって、電極の乾燥過程でバインダーの浮き上がり現象を効果的に抑制する電極製造装置、電極製造方法およびそれを用いて製造された二次電池用電極を提供する。
本発明は、電極製造装置を提供する。一実施形態において、本発明に係る電極製造装置は、集電体上に活物質層が形成された電極シートを装着した状態で走行するコンベヤラインと、前記コンベヤラインによって移動する前記電極シートを加熱する乾燥炉と、前記コンベヤラインを駆動するローラーと、を含む。前記活物質層は電極活物質、導電材およびバインダーを含み、かつ前記導電材は、磁性物質と結合された炭素材である。また、前記ローラーのうちいずれか１つ以上は磁石を含むローラーである。
具体的な実施形態において、前記磁石を含むローラーは、前記コンベヤライン上に活物質層が形成された電極シートが装着されて走行する開始地点から、前記電極シートが乾燥炉を通過して出る地点の間に位置する。
より具体的な実施形態において、前記磁石を含むローラーは、前記電極シートが乾燥炉を経由する区間内に位置する。
一実施形態において、前記磁石は、永久磁石および電磁石のうち１種以上を含む。
例えば、前記永久磁石は、ネオジム磁石（Ｎｅ－Ｆｅ－Ｂ）、サマリウムコバルト磁石（Ｓｍ－Ｃｏ）、アルニコ磁石（Ｆｅ－Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｏ）およびフェライト磁石のうち１種以上を含む。
具体的な実施形態において、前記磁石によって形成される磁界の強度は、１，０００Ｇ～１００，０００Ｇの範囲にある。
一実施形態において、前記磁石を含むローラーは、ローラーの内部中空に配置された磁石を含む構造である。
別の一実施形態において、前記乾燥炉は、熱風乾燥、ヒーティングコイル乾燥および誘導加熱乾燥のうちいずれか１つ以上の方式で電極シートを加熱する。
また、本発明は、上述した電極乾燥装置を用いた電極製造方法を提供する。
一実施形態において、本発明に係る電極製造方法は、集電体上に活物質層が形成された電極シートを、ローラーによって駆動されるコンベヤラインに装着して移送する移送段階と、前記コンベヤラインの移動経路に位置する乾燥炉を介して電極シートを加熱する乾燥段階と、を含む。前記活物質層は電極活物質、導電材およびバインダーを含み、かつ前記導電材は、磁性物質と結合された炭素材である。また、前記ローラーのうちいずれか１つ以上は磁石を含むローラーである。
一実施形態において、前記乾燥段階を経た電極シートの導電材およびバインダーの含量は、下記式１を満たす。
［式１］
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
前記式１において、Ｂｔｏｐは、活物質層の厚さ方向を基準として上部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示し、Ｂｂｏｔｔｏｍは、活物質層の厚さ方向を基準として下部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示す。
別の一実施形態において、前記移送段階は、前記電極シートが、磁石を含むローラーによって形成された磁界領域を通過する過程を含む。
具体的な実施形態において、前記乾燥段階は、磁石によって形成された磁界の範囲内を、前記電極シートが経由する条件で行う。
例えば、磁石を含むローラーによって形成された磁界の強度は、１，０００Ｇ～１００，０００Ｇの範囲にある。
また、本発明は、上述した電極製造装置または電極製造方法を用いて製造された電極を提供する。前記電極は、例えば、二次電池用電極である。
一実施形態において、本発明に係る二次電池用電極は、集電体と、前記集電体上に形成された電極活物質、導電材およびバインダーを含む活物質層と、を含む。また、前記導電材は、磁性物質と結合された炭素材である。ここで、前記活物質層を構成する導電材およびバインダーの含量は、下記式１を満たす。
［式１］
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
上記式１において、Ｂｔｏｐは、活物質層の厚さ方向を基準として上部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示し、Ｂｂｏｔｔｏｍは、活物質層の厚さ方向を基準として下部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示す。
例えば、前記導電材は、磁性物質と結合されたカーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ、ＣＮＴ）を含む。
別の例として、前記磁性物質は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、セレニウム（Ｓｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、セリウム（Ｃｅ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）のうち１種以上を含む。
本発明に係る電極製造装置および電極製造方法は、コンベヤラインを駆動するローラーに磁石を含めて、電極内のバインダーおよび導電材成分の浮き上がり現象を抑制する。
以下、本発明について詳細に説明する。その前に、本明細書および特許請求の範囲で使用された用語や単語は、通常的または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者が彼自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義し得るという原則に基づいて、本発明の技術的な思想に合致する意味と概念として解釈されるべきである。
本発明は、電極製造装置を提供する。一実施形態において、本発明に係る電極製造装置は、集電体上に活物質層が形成された電極シートを装着した状態で走行するコンベヤラインと、上記コンベヤラインによって移動する電極シートを加熱する乾燥炉と、上記コンベヤラインを駆動するローラーと、を含む。上記活物質層は電極活物質、導電材およびバインダーを含み、かつ上記導電材は、磁性物質と結合された炭素材である。また、上記ローラーのうちいずれか１つ以上は磁石を含むローラーである。
上述したように、乾燥を完了した状態で相対的に比重が高い電極活物質成分は下方に集中し、相対的に比重が低い導電材およびバインダー成分は表面側に浮き上がる現象が発生する。バインダーの浮き上がり現象は、集電体と活物質層との間の接合力を低下させる原因となり、表面近傍に集中された導電材およびバインダーは電気伝導性を低下させ、リチウムイオンの移動を阻害する原因としても作用する。バインダーの浮き上がり現象は、結局、バッテリー性能の劣化に影響を及ぼすことになる。
本発明では、コンベヤラインを駆動するローラーに磁石を含めて、磁界により導電材およびバインダー成分の浮き上がり現象を抑制する。具体的には、上記乾燥炉で電極シートを加熱する間に活物質層に含まれた溶媒が蒸発し、このとき、電極活物質と比較して相対的に比重が小さい導電材およびバインダーは活物質層の表面付近に移動する浮き上がり現象が発生する。このような浮き上がり現象を緩和するために、本発明では、コンベヤラインを駆動するローラーに磁石を配置する。上記磁石により形成される磁界により、導電材およびバインダーが磁界により磁石方向に導かれることになり、導電材およびバインダーの活物質層の表面付近に浮き上がる現象を抑制し得る。
より具体的には、上記導電材は、磁界と反応する磁性物質を含む。磁石により導電材が活物質層の厚さ方向を基準として下部方向に移動する。このとき、導電材と多様な相互作用関係にあるバインダーは、導電材の移動に影響され、導電材に沿って活物質層の下部方向に移動する。
したがって、電極製造装置に磁石を含むローラーを導入することにより、活物質層の厚さ方向を基準として上部層および下部層に、導電材およびバインダーが均一に分布されるように誘導する。
一実施形態において、上記磁石を含むローラーは、コンベヤライン上に活物質層が形成された電極シートが装着されて走行する開始地点から上記電極シートが乾燥炉を通過して出る地点の間に位置し得る。具体的には、上記磁石を含むローラーは、電極シートが乾燥炉に進入する前に位置するか、または電極シートが乾燥炉を経由する区間内に位置し得る。また、上記磁石を含むローラーが複数（２～３０個）で存在し得、電極シートが乾燥炉に進入する前に位置すると同時に乾燥炉を経由する区間内に位置し得る。
磁石を含むローラーが、電極シートが乾燥炉に進入する前に位置する場合には、加熱前に予め導電材およびバインダーを活物質層の厚さ方向を基準として下部方向に位置させることができる。これにより、後に電極シートが乾燥炉を通過する間に、導電材およびバインダーが活物質層の上部方向に移動しても、活物質層内に導電材およびバインダーが均等に分散される結果をもたらす。
別の実施形態において、上記磁石を含むローラーは、電極シートが乾燥炉を経由する区間内に位置する。すなわち、上記乾燥炉を通過する区間内に磁石を含むローラーが配置され得る。
活物質層を含む電極シートが加熱されて活物質層内の溶媒が蒸発することになると、導電材およびバインダーが活物質層の表面方向に移動するようにする力が発生する。これと同時に、ローラーに含まれた磁石によって、導電材およびバインダーが活物質層の表面方向とは反対の方向に移動するようにする力が発生する。したがって、乾燥過程の間に発生する導電材およびバインダーを上部方向に移動させる力と、磁石により導電材およびバインダーを活物質層の下部方向に引き付ける力を相殺して浮き上がり現象を防止し得る。
また、電極シートが乾燥炉を経由する区間内に、上記磁石を含むローラーは１つまたは２つ以上配置され得る。このとき、上記磁石を含むローラーの数量は特に制限されず、乾燥炉の水平長さ、加熱温度および磁石の磁界の強度などを考慮して好適に選定し得、例えば、２～３０個または２～１０個が配置され得る。
例えば、上記磁石は、永久磁石および電磁石のうち１種以上を含む。永久磁石は、コストが低く高温耐久性に優れるという長所がある。したがって、永久磁石は、高温条件である乾燥炉内に配置しやすく、工程単価を下げることができる。
本発明に係る一実施形態において、上記永久磁石は、ネオジム磁石（Ｎｅ－Ｆｅ－Ｂ）、サマリウムコバルト磁石（Ｓｍ－Ｃｏ）、アルニコ磁石（Ｆｅ－Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｏ）およびフェライト磁石のうち１種以上を含む。
ネオジム磁石は希土類元素で製造され、高い磁力を具現し得る。例えば、ネオジム磁石は、ネオジム、ホウ素および鉄を２：１：１４の比率で、焼結方式で合金して製造する。サマリウムコバルト磁石は、サマリウム、コバルトおよびその他希土類元素の合金で製造される。サマリウムコバルト磁石は、強い磁力と優れた耐熱性を同時に具現するという長所があるが、価格が相対的に高い。アルニコ磁石は、温度に対する安定性に優れ、最大５００～６００℃の高温でも磁力を維持する。アルニコ磁石は、磁束密度が高く耐久性に優れるという長所がある。上記アルニコ磁石は、鉄、ニッケル、アルミニウム、コバルトの合金で製造する。また、上記フェライト磁石は、マンガン、コバルト、ニッケルなどの酸化物と鉄で製造し、約４００～５００℃の温度でも磁力を維持する。
上記電磁石は、磁性のオンオフが可能であり、必要に応じて磁性の強度調節が可能である。したがって、電磁石を適用するときに、工程の自由度を高めることができる。本発明において、電磁石とは、電流が流れる間に磁界が形成される磁石を総称する。上記電磁石は、コイル状に巻かれた電線に電流が流れると磁界が重畳され、一定の極性を帯びることになる。これは、コイルの周辺に生成された磁力線が重畳され、コイルの中央に一方向に作用する磁力線が発生するためである。上記電磁石は、コイルが巻かれた形態によって区分することもできる。例えば、コルクスクリューのような模様のらせんを描くコイルを円筒状にしたものをソレノイドと言い、両端を一箇所に集めて丸くしたものは環状インダクターと言う。上記電磁石は、形成された磁界をより強くするために、コイルの中央に鉄などの強磁性を有する物質で作った磁気コアを位置した場合も含む。
一実施形態において、上記磁石によって形成される磁界の強度は、１，０００Ｇ～１００，０００Ｇの範囲にあり得る。ここで、上記「Ｇ」は、磁性の強度を表す単位であるガウスを意味する。
上記磁石は、導電材に含まれている磁性物質の性質などに応じて磁界の強度を調節し得る。具体的に、上記磁石の磁界の強度は１０，０００～１００，０００Ｇの範囲にあり、詳細には１５，０００～８５，０００Ｇ、または５０，０００～８０，０００Ｇの範囲にあり得る。上記磁石の磁界の強度が１，０００Ｇ未満である場合は、導電材の磁性物質に磁界を十分に及ぼすことができないので、所望の効果を発揮することができず、１００，０００Ｇを超える場合には、磁界の強度が過度に大きくなり、導電材およびバインダーの分布が磁石方向に偏在され得る。一方、上記磁界の強度は、電極スラリーを構成する成分の種類、含量、および導電材の磁性物質の種類と性質に応じて好適に変更され得、必ずしも上記範囲内に限定されることを意味しない。
また、上記磁石を含むローラーは、ローラーの内部中空に配置された磁石を含む構造であり得る。上記ローラーは、一般的に、円形ローラーの形態であり、円形ローラーの内部は中空が形成された構造であり得る。磁石がローラーの内部中空に配置されることが好ましいことを意味するものであり、必ずしもこれに限定されて配置されることを意味するわけではない。
一方、上記乾燥炉は、コンベヤラインによって移動する電極シートを加熱して乾燥する構造であり得る。上記乾燥炉は、１つ以上の加熱装置を含む構造であり得る。このとき、加熱装置の構造および個数は特に制限されず、加熱および乾燥方式と条件に応じて好適に変更し得る。
本発明において、乾燥炉がコンベヤラインによって移動する電極シートを加熱するということは、乾燥炉によって加熱される区間をコンベヤラインが通る場合を総称する。例えば、下方加熱する乾燥炉を基準として、本発明は、コンベヤラインが乾燥炉を貫通する構造である。上記乾燥炉は加熱装置を含み、上記加熱装置はコンベヤラインの上部、下部および／または側面部に位置し得るが、好ましくは、コンベヤラインの上部および／または側面部に位置し得る。
一方、上記乾燥炉が、コンベヤラインが通る経路を包む構造であり、乾燥炉により加熱される区間は、コンベヤラインの出入口を除いて隔壁で密閉された構造であり得る。
一方、上記乾燥炉の乾燥手段は特に制限されず、熱風乾燥、ヒーティングコイル乾燥および誘導加熱乾燥のうちいずれか１つ以上の方式を採択し得る。上記熱風乾燥は、加熱された空気を供給する方式で行うことができ、ヒーティングコイル乾燥は、コイルによる加熱により電極シートを直接加熱する方式である。また、誘導加熱乾燥は、誘導加熱方式により電極シートを間接加熱する。
また、本発明は、電極製造方法を提供する。一実施形態において、本発明に係る電極製造方法は、集電体上に活物質層が形成された電極シートを、ローラーによって駆動されるコンベヤラインに装着して移送する移送段階と、上記コンベヤラインの移動経路に位置する乾燥炉を介して電極シートを加熱する乾燥段階と、を含む。上記活物質層は電極活物質、導電材およびバインダーを含み、かつ上記導電材は、磁性物質と結合された炭素材である。また、上記ローラーのうちいずれか１つ以上は磁石を含むローラーである。
本発明は、活物質層を含む電極シートがコンベヤラインに装着された後に、上記コンベヤラインに沿って移動する。移動する電極シートは、乾燥炉によって加熱されながら乾燥される。また、コンベヤラインによって移動する電極シートは、ローラーに含まれた磁石によって形成された磁界の影響範囲を通りながら上記磁界の影響を受けることになる。
上記乾燥段階では、溶媒が蒸発し、相対的に比重が小さい導電材およびバインダーが活物質層の表面に移動する現象が発生することになる。一方、活物質層内部の導電材に含まれた金属粒子は磁性を有するので、磁界の影響を受けると活物質層の下部方向に移動し、移動する導電材に沿ってバインダーも下部方向に引き付けられる。したがって、コンベヤラインを駆動するローラーのうちいずれか１つ以上に磁石を導入することにより、電極シートに対する乾燥過程で導電材およびバインダーが活物質層の上部方向に移動する現象を防止し得る。
別の一実施形態において、乾燥段階を経た電極シートの導電材およびバインダーの含量は、下記式１を満たす。
［式１］
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
上記式１において、Ｂｔｏｐは、活物質層の厚さ方向を基準として上部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示し、Ｂｂｏｔｔｏｍは、活物質層の厚さ方向を基準として下部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示す。
上記活物質層を構成する導電材およびバインダーの含量が上記式１の条件を満たす場合は、上記活物質層の厚さ方向の上部または下部のうちいずれか一方向に偏らずに均一に分布することを意味し、これにより、従来の導電材およびバインダーの浮き上がり現象を防止し得る。
一実施形態において、上記移送段階は、電極シートが、磁石を含むローラーによって形成された磁界領域を通過する過程を含む。例えば、乾燥段階におけるバインダーの浮き上がり現象を防止するために、磁石を含むローラーがコンベヤラインの下部に位置し得る。これにより、上記磁石により形成された磁界により、導電材と共にバインダーが活物質層の下部方向に導かれることになる。これにより、バインダーの浮き上がり現象を抑制または防止する。
具体的な実施形態において、上記乾燥段階は、磁石によって形成された磁界の範囲内を、電極シートが経由する条件で行う。上記磁石を含むローラーを乾燥炉内に配置し得る。
例えば、電極シートが磁石を含むローラーによって形成された磁界の強度は、１，０００Ｇ～１００，０００Ｇの範囲にある。
一実施形態において、上記乾燥段階は、上記熱風乾燥、ヒーティングコイル乾燥および誘導加熱乾燥のうちいずれか１つを独立的に行い得るか、または２つ以上の方式で共に、順次的または連続的に行い得る。
また、上記乾燥炉の加熱温度は、ＭＤ（Ｍａｃｈｉｎｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）方向へ徐々に上昇するように設定し得る。一つの例として、電極シートがコンベヤラインに沿って乾燥炉を経由するときに、電極シートが乾燥炉を経由し始める地点の温度が、乾燥炉の経由を終える地点の温度より低く設定され得る。そして、電極シートが乾燥炉を経由するときに、連続的または段階的に温度を上げて加熱し得る。高い温度で急速加熱を行う場合には、電極シートが急激に加熱されて、活物質層と集電体との間の熱膨張係数の差により界面が広がったり、気泡または表面のクラックなどが発生したりし得る。
本発明では、例えば、電極シートが乾燥炉を経由する区間を時間によって前半部区間と後半部区間に区分するときに、前半部区間は５０度～２００度の範囲で行い、後半部区間は１５０度～２００度の範囲で行い、かつ前半部区間の加熱温度を後半部区間の加熱温度より低く制御し得る。
また、本発明は、二次電池用電極を提供する。一実施形態において、本発明に係る二次電池用電極は、集電体と、上記集電体上に形成された電極活物質、導電材およびバインダーを含む活物質層と、を含む。上記導電材は、磁性物質と結合された炭素材で形成される。また、上記活物質層を構成する導電材およびバインダーの含量は、下記式１を満たす。
［式１］
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
上記式１において、Ｂｔｏｐは、活物質層の厚さ方向を基準として上部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示し、Ｂｂｏｔｔｏｍは、活物質層の厚さ方向を基準として下部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示す。
上記式１に係る数値は、０．８５～１．１５の範囲、０．９～１．１の範囲、または０．９５～１．０５の範囲にある。すなわち、乾燥炉を経由して乾燥が完了した電極シートの活物質層は、上部領域（Ｂｔｏｐ）と下部領域（Ｂｂｏｔｔｏｍ）における導電材およびバインダーの含量偏差が３０％以下、２０％以下、具体的には１０％以下の範囲に造成され得る。
本発明において、上記導電材は、磁性物質と結合された炭素材で形成される。磁性物質と結合された炭素材は、磁性物質と炭素材が化学的に結合された場合のみならず、物理的に混合された場合も含む。
例えば、上記導電材は、後述するように、一般的に使用される導電材で構成され得るが、磁性物質と結合されたカーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ、ＣＮＴ）を含む。
カーボンナノチューブは、壁をなしている結合数に応じて単層カーボンナノチューブ（Ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、二層カーボンナノチューブ（Ｄｏｕｂｌｅ－ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、多層カーボンナノチューブ（Ｍｕｌｔｉ－ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、束型カーボンナノチューブ（Ｒｏｐｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）に区分し得、本発明のカーボンナノチューブの種類は特に制限されないが、好ましくは、一つの例として単層カーボンナノチューブであり得る。
一方、上記カーボンナノチューブは、磁性物質と結合されたカーボンナノチューブである。具体的には、カーボンナノチューブの製造過程において、金属触媒を使用し得る。製造されたカーボンナノチューブは、製造過程で使用された金属触媒成分が残留することになる。このとき、金属触媒としては遷移金属が主に使用され得る。
上記磁性物質は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、セレニウム（Ｓｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、セリウム（Ｃｅ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）のうち１種以上を含む。例えば、上記磁性物質は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）および／またはコバルト（Ｃｏ）であり得る。上記遷移金属の直径は平均５～３０ｎｍの範囲にある。
一方、本発明に係る二次電池用電極は、例えば、リチウム二次電池用電極であり得る。リチウム二次電池は、その形態が特に制限されるものではないが、例えば、パウチ型、角型または円筒型構造である。例えば、上記二次電池は円筒型電池である。また、上記電極は、二次電池の正極または負極であり、例えば、二次電池用負極である。
上記二次電池は、正極、負極、および上記正極と上記負極との間に介在される分離膜を含む電極組立体、上記電極組立体を含浸させる非水電解液、および上記電極組立体と上記電解液とを内蔵する電池ケースを含む構造であり得る。
上記非水電解液は、例えば、リチウム塩を含む電解液である。
上記正極は、正極集電体の両面に正極活物質層が積層された構造である。一つの例において、正極活物質層は、正極活物質、導電材およびバインダー高分子などを含み、必要に応じて、当業界で一般的に使用される正極添加剤をさらに含み得る。
上記正極活物質は、リチウム含有酸化物であり得、同一であるかまたは異なり得る。上記リチウム含有酸化物としては、リチウム含有遷移金属酸化物が使用され得る。
例えば、上記リチウム含有遷移金属酸化物は、ＬｉｘＣｏＯ２（０．５＜ｘ＜１．３）、ＬｉｘＮｉＯ２（０．５＜ｘ＜１．３）、ＬｉｘＭｎＯ２（０．５＜ｘ＜１．３）、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉｘ（ＮｉａＣｏｂＭｎｃ）Ｏ２（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、ＬｉｘＮｉ１－ｙＣｏｙＯ２（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｙ＜１）、ＬｉｘＣｏ１－ｙＭｎｙＯ２（０．５＜ｘ＜１．３、０≦ｙ＜１）、ＬｉｘＮｉ１－ｙＭｎｙＯ２（０．５＜ｘ＜１．３、０≦ｙ＜１）、Ｌｉｘ（ＮｉａＣｏｂＭｎｃ）Ｏ４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ａ＜２、０＜ｂ＜２、０＜ｃ＜２、ａ＋ｂ＋ｃ＝２）、ＬｉｘＭｎ２－ｚＮｉｚＯ４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｚ＜２）、ＬｉｘＭｎ２－ｚＣｏｚＯ４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｚ＜２）、ＬｉｘＣｏＰＯ４（０．５＜ｘ＜１．３）およびＬｉｘＦｅＰＯ４（０．５＜ｘ＜１．３）からなる群から選択されるいずれか１つまたはこれらのうち２種以上の混合物であり得、上記リチウム含有遷移金属酸化物は、アルミニウム（Ａｌ）などの金属や金属酸化物でコーティングされることもできる。
上記のような正極活物質には、磁石や磁界などに反応する金属を含んでいることが分かるが、本発明のように、上記正極活物質により形成された活物質層に磁石や磁界などを加えることになると、それに反応する正極活物質は、磁界が形成される方向に集まることを予想し得、これにより電極の電気伝導度が向上する効果を期待し得る。
また、上記リチウム含有遷移金属酸化物の他に、硫化物（ｓｕｌｆｉｄｅ）、セレン化物（ｓｅｌｅｎｉｄｅ）およびハロゲン化物（ｈａｌｉｄｅ）のうち１種以上が使用され得る。
上記正極活物質は、正極活物質層中に９４．０～９８．５重量％の範囲で含まれ得る。正極活物質の含量が上記範囲を満たすときに、高容量電池の製作、そして、十分な正極の導電性や電極材間の接着力を付与するという面で有利である。
上記正極に使用される集電体は、伝導性が高い金属であって、正極活物質スラリーが容易に接着し得る金属でありながら、二次電池の電圧範囲で反応性がないものであれば、いずれも使用し得る。具体的に、正極用集電体の非限定的な例としては、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの組み合わせによって製造される薄膜などがある。
正極活物質層は導電材をさらに含む。上記導電材は、一般的に、正極活物質を含む混合物全体の重量を基準として１～３０重量％で添加される。このような導電材は、二次電池に化学的変化を誘発せずに導電性を有するものであれば、特に制限されるものではない。例えば、上記導電材としては、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サマーブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体のうち１種以上を含み得る。
ただし、上述したように、本発明は、磁界によって反応する磁性物質を含む導電材であることを特徴とする。したがって、磁性物質を含む導電材を含みながら、上記例示に挙げた一般的な導電材を追加で含み得る。
一方、非常に小さいサイズを有し、高い電気伝導度を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）であることが好ましい。具体的には、一実施形態において、本発明の導電材は、金属触媒を用いて成長させたカーボンナノチューブを含むように構成され得る。このとき、金属触媒は遷移金属であり得、上記遷移金属は、上述したように、磁界に反応する磁性物質に該当するので、遷移金属と結合されたカーボンナノチューブを含むように構成された導電材は、磁界が形成される方向に移動すると予想され得る。
バインダー成分としては、当業界で一般的に使用されるバインダー高分子が制限なく使用され得る。例えば、ポリビニリデンフルオライド－ヘキサフルオロプロピレン（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ－ｃｏ－ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＶＤＦ－ｃｏ－ＨＦＰ）、ポリビニリデンフルオライド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、スチレン－ブタジエンゴム（ｓｔｙｒｅｎｅ－ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ、ＳＢＲ）、カルボキシメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｌ ｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、ＣＭＣ）などの多様な種類のバインダーが使用され得る。
上記バインダー高分子の含量は、上部正極活物質層および下部正極活物質層に含まれる導電材の含量に比例する。これは、活物質に比べて粒子のサイズが相対的に非常に小さい導電材に接着力を付与するためであって、導電材の含量が増加するとバインダー高分子がさらに必要となり、導電材の含量が減少するとバインダー高分子が少量使用され得るためである。
上記負極は、負極集電体の両面に負極合剤層が積層された構造である。一つの例において、負極合剤層は、負極活物質、導電材およびバインダー高分子などを含み、必要に応じて、当業界で一般的に使用される負極添加剤をさらに含み得る。
上記負極活物質は、炭素材、リチウム金属、ケイ素またはスズなどを含み得る。負極活物質として炭素材が使用される場合には、低結晶性炭素および高結晶性炭素などがいずれも使用され得る。低結晶性炭素としてはソフトカーボン（ｓｏｆｔ ｃａｒｂｏｎ）およびハードカーボン（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）が代表的であり、高結晶性炭素としては天然黒鉛、キッシュ黒鉛（Ｋｉｓｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、熱分解炭素（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ）、メソフェーズピッチ系炭素繊維（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素微小球体（ｍｅｓｏｃａｒｂｏｎ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ）、メソフェーズピッチ（Ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈｅｓ）および石油または石炭系コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｏｒ ｃｏａｌ ｔａｒ ｐｉｔｃｈ ｄｅｒｉｖｅｄ ｃｏｋｅｓ）などの高温焼成炭素が代表的である。
上記負極に使用される集電体の非限定的な例としては、銅、金、ニッケルまたは銅合金、またはこれらの組み合わせによって製造される薄膜などがある。また、上記集電体は、上記物質からなる基材を積層して使用することもできる。
また、上記負極は、当該分野で一般的に使用される導電材およびバインダーを含み得る。ただし、上記導電材は、上述したように、磁界によって反応する磁性物質を含む導電材であることを特徴とし、一つの例として、本発明の導電材は、遷移金属と結合されたカーボンナノチューブを含むように構成され得る。
以下では、図面などにより本発明の内容を上述するが、下記図面は本発明を例示するためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
（第１実施形態）
図２は、本発明の一実施形態に係る電極製造装置による工程過程を図示したものである。図２を参照すると、本発明に係る電極製造装置１０は、コンベヤライン１１０によって電極シート１００が供給される。具体的には、上記コンベヤライン１１０は、ローラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１３０ａ、１３０ｂによって支持およびガイドされた状態である。このとき、ローラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１３０ａ、１３０ｂは、磁石を含まないローラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃと磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂに区分される。ここで、磁石１３１ａ、１３１ｂはネオジム磁石であり、約５０，０００Ｇ磁界の強度を有し、ローラー１３０ａ、１３０ｂの内部中空に配置される構造である。
図２は、本発明の一実施形態に係る電極製造装置による工程過程を図示したものである。図２を参照すると、本発明に係る電極製造装置１０は、コンベヤライン１１０によって電極シート１００が供給される。具体的には、上記コンベヤライン１１０は、ローラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１３０ａ、１３０ｂによって支持およびガイドされた状態である。このとき、ローラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１３０ａ、１３０ｂは、磁石を含まないローラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃと磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂに区分される。ここで、磁石１３１ａ、１３１ｂはネオジム磁石であり、約５０，０００Ｇ磁界の強度を有し、ローラー１３０ａ、１３０ｂの内部中空に配置される構造である。
供給された電極シート１００は、集電体１０１上に電極スラリー吐出部１５０から吐出された電極スラリーが塗布され、活物質層１０２を含む構造である。上記電極スラリーは、負極活物質、導電材、バインダーおよび溶媒が混合された組成である。
具体的には、負極活物質である黒鉛（Ｃ、日立ケミカル社）９７．０重量％、導電材として鉄（Ｆｅ）金属触媒を用いて成長させたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ、ＬＵＣＡＮ－ＢＴ１００１Ｍ、ＬＧ Ｃｈｅｍ、縦横比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）１００～３００）１．０重量％、およびバインダー高分子としてポリビニリデンフルオライド（ＫＦ９７００、Ｋｕｒｅｈａ）２．０重量％をスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ、ｓｔｙｒｅｎｅ－ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ）とカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ、ｃａｒｂｏｘｙｌ ｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓ）の１：１の比率で混合した溶剤を添加して製造した負極スラリーである。
銅ホイルで構成された集電体１０１の一面に、上記負極スラリーを６４０ｍｇ／２５ｃｍ２のローディング量（厚さ１００μｍ）でコーティングして活物質層１０２を形成する。
活物質層１０２を含む電極シート１００は、コンベヤライン１１０に沿って乾燥炉１４０を経由する。上記乾燥炉１４０は、下方加熱する複数の加熱装置１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃで構成され、上記乾燥炉１４０は、コンベヤライン１１０の上部に位置して電極シート１００を加熱し、乾燥する。
コンベヤライン１１０に装着された電極シート１００が乾燥炉１４０を経由している間、電極シート１００は磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂ上を通ることになり、磁石１３１ａ、１３１ｂによって形成された磁界の影響を受けることになる。乾燥炉１４０によって加熱された活物質層１０２の溶媒成分が乾燥されると同時に、相対的に比重が小さい導電材およびバインダーが活物質層１０２の表面に移動することになる。このとき、磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂが乾燥炉１４０を経由する区間内に配置され、導電材およびバインダーを活物質層１０２の下部方向に引き付けて活物質層１０２の表面に移動する現象を防止し得る。
（第２実施形態）
図３は、本発明の一実施形態に係る電極製造方法による電極シートの変化を模式的に図示したものである。
図３は、本発明の一実施形態に係る電極製造方法による電極シートの変化を模式的に図示したものである。
図３を参照すると、コンベヤライン１１０に装着された電極シート１００が水平方向に移動するときの電極シート１００をＡ区間～Ｄ区間に区分したときに、Ａ区間は、電極シート１００が乾燥炉１４０を経由する前の区間であり、Ｂ区間は、電極シート１００が乾燥炉１４０を経由し、かつ磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂ上を経由する前の区間であり、Ｃ区間は、電極シート１００が乾燥炉１４０を経由しながら、磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂ上を経由する区間である。一方、Ｄ区間は、電極シート１００が乾燥炉１４０および磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂ上を経由した後の活物質層１０２の溶媒が１０％以下の残存率を有する区間である。
上記Ａ区間において、活物質層１０２は、電極活物質である炭素（Ｃ）成分と、導電材であるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、バインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）および溶媒である水（Ｈ２Ｏ）が活物質層１０２の厚さに応じて均一に分布し、Ｂ区間においては、水（Ｈ２Ｏ）が蒸発し、活物質（Ｃ）、導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）が活物質層１０２の表面に移動するが、このとき、相対的に比重が小さい導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）は、活物質（Ｃ）よりさらに多い比率で活物質層１０２の表面に集中して分布される。
一方、Ｃ区間において、活物質層１０２は、磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂによって形成された磁界の影響により、磁性物質と結合された導電材（ＣＮＴ）は磁石１３１ａ、１３１ｂに向かう方向、すなわち、活物質層１０２の厚さ方向を基準として下部方向に移動し、このとき、バインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）は、移動する導電材（ＣＮＴ）の影響を受け、活物質層１０２の下部方向に移動する。
Ｄ区間において、乾燥炉１４０を経由した後に乾燥過程を終えた活物質層１０２は、活物質（Ｃ）、導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）が活物質層１０２の厚さに応じて均一に分布する。
図４は、図３のＡ～Ｄ区間における電極シートの成分別分布変化を図示したものである。
図４を参照すると、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ図４のＡ、Ｂ、ＣおよびＤ区間の活物質層１０２を示したものである。（ａ）における下のグラフを参照すると、活物質（Ｃ）、導電材（ＣＮＴ）、バインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）および溶媒（Ｈ２Ｏ）は、活物質層１０２の高さに応じて均一な濃度で分散された構造である。（ｂ）は、加熱乾燥過程を経ている間、内部の溶媒である水（Ｈ２Ｏ）が蒸発し、活物質層１０２の高さが約２／３レベルに低くなった状態であり、活物質（Ｃ）、導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）成分の濃度は、上方に向かうほど高くなった状態に配列される。一方、（ｃ）は、加熱乾燥過程を経ると同時に磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂ上を経由し、磁石１３１ａ、１３１ｂによって形成された磁界の影響を受ける間に、導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）成分の濃度は、下方に向かうほど高くなった状態に配列される。一方、（ｄ）は、磁石を含むローラー１３０ａ、１３０ｂ上を通って加熱乾燥過程を終えた状態で、活物質（Ｃ）、導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）成分は、活物質層１０２の高さに応じて均一な濃度で集約された構造を有する。
これは、電極シート１００を加熱する過程で、相対的に比重が低い導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）成分は、不可避に活物質層１０２の表面側に浮き上がる現象が発生する。加熱する過程で磁界を形成させて、導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）成分を電極シート１００の表面と反対の方向に引き付けることにより、導電材（ＣＮＴ）およびバインダー（ＳＢＲ、ＣＭＣ）の浮き上がり現象を防止し得る。
（第３実施形態）
図５は、本発明の別の一実施形態に係る電極製造装置による工程過程を図示したものである。図５は、図２とは異なり、電極シートが乾燥炉を経由する前に磁石を含むローラー上を通るように設計した構造である。
図５は、本発明の別の一実施形態に係る電極製造装置による工程過程を図示したものである。図５は、図２とは異なり、電極シートが乾燥炉を経由する前に磁石を含むローラー上を通るように設計した構造である。
図５を参照すると、本発明に係る電極製造装置２０は、コンベヤライン２１０によって電極シート２００が供給される。具体的には、上記コンベヤライン２１０は、ローラー２２０ａ、２２０ｂ、２３０ａ、２３０ｂによって支持およびガイドされた状態である。このとき、ローラー２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２３０ａ、２３０ｂは、磁石を含まないローラー２２０ａ、２２０ｂと磁石を含むローラー２３０ａ、２３０ｂに区分される。
供給された電極シート２００は、集電体２０１上に電極スラリー吐出部２５０から吐出された電極スラリーが塗布され、活物質層２０２を含む構造である。上記電極スラリーは、負極活物質、導電材、バインダーおよび溶媒が混合された組成である。
電極シート２００が乾燥炉２４０を経由する前に磁石を含むローラー２３０ａ上を経由すると、磁石２３１ａによって形成された磁界により、電極シート２００の活物質層２０２を構成する導電材およびバインダーは磁界に導かれ、活物質層２０２の厚さ方向を基準として下部方向に移動することになる。
磁石を含むローラー２３０ａ上を通った電極シート２００は、導電材およびバインダーが活物質層２０２の下部方向に沈んだ状態で乾燥炉２４０を経由する。上記乾燥炉２４０は、下方加熱する複数の加熱装置２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃで構成され、上記乾燥炉２４０は、コンベヤライン２１０の上部に位置して電極シート２００を加熱し、乾燥する。
電極シート２００が乾燥炉２４０を経由している間に、乾燥炉２４０によって加熱された活物質層２０２の溶媒成分が乾燥されると同時に、相対的に比重が小さい導電材およびバインダーは、電極シート２００の表面に移動することになる。このとき、乾燥炉２４０を経由する電極シート２００は、磁石を含むローラー２３０ｂ上を通ることになり、上記磁石２３１ｂによって形成された磁界の影響により、導電材およびバインダーは、活物質層２０２の下部方向に導かれることになり、導電材およびバインダーの浮き上がり現象を減少させることができる。
言い換えれば、電極シート２００は、乾燥炉２４０を経由する前に、既に導電材およびバインダーが活物質層２０２の下部方向に移動された状態であるため、乾燥炉２４０により導電材およびバインダーが上部方向に移動するときに、導電材およびバインダーの移動経路を増加させて表面に移動するのにかかる時間を増加させることができる。
したがって、電極シート２００が乾燥炉２４０を経由する前に、磁石を含むローラー２３０ａ上を通るように設計することにより、乾燥過程における導電材およびバインダーの浮き上がり現象を減少させる効果がある。
以上では、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者または当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および技術領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更させ得ることを理解し得るであろう。
したがって、本発明の技術的範囲は、明細書の発明の概要に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定められるべきである。
１０、２０：電極製造装置
１００、２００：電極シート
１０１、２０１：集電体
１０２、２０２：活物質層
１１０、２１０：コンベヤライン
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、２２０ａ、２２０ｂ：磁石を含まないローラー
１３０ａ、１３０ｂ、２３０ａ、２３０ｂ：磁石を含むローラー
１３１ａ、１３１ｂ、２３１ａ、２３１ｂ：磁石
１４０、２４０：乾燥炉
１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ：加熱装置
１５０、２５０：電極スラリー吐出部
１００、２００：電極シート
１０１、２０１：集電体
１０２、２０２：活物質層
１１０、２１０：コンベヤライン
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、２２０ａ、２２０ｂ：磁石を含まないローラー
１３０ａ、１３０ｂ、２３０ａ、２３０ｂ：磁石を含むローラー
１３１ａ、１３１ｂ、２３１ａ、２３１ｂ：磁石
１４０、２４０：乾燥炉
１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ：加熱装置
１５０、２５０：電極スラリー吐出部
Claims (15)
- 集電体上に活物質層が形成された電極シートを装着した状態で走行するコンベヤラインと、
前記コンベヤラインによって移動する前記電極シートを加熱する乾燥炉と、
前記コンベヤラインを駆動するローラーと、を含み、
前記活物質層は電極活物質、導電材およびバインダーを含み、かつ前記導電材は、磁性物質と結合された炭素材であり、
前記ローラーのうちいずれか１つ以上は磁石を含むローラーである、電極製造装置。 - 前記磁石を含むローラーは、
前記コンベヤライン上に活物質層が形成された電極シートが装着されて走行する開始地点から、前記電極シートが乾燥炉を通過して出る地点の間に位置する、請求項１に記載の電極製造装置。 - 前記磁石を含むローラーは、
前記電極シートが乾燥炉を経由する区間内に位置する、請求項１に記載の電極製造装置。 - 前記磁石は、永久磁石および電磁石のうち１種以上を含む、請求項１に記載の電極製造装置。
- 前記永久磁石は、ネオジム磁石（Ｎｅ－Ｆｅ－Ｂ）、サマリウムコバルト磁石（Ｓｍ－Ｃｏ）、アルニコ磁石（Ｆｅ－Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｏ）およびフェライト磁石のうち１種以上を含む、請求項４に記載の電極製造装置。
- 前記磁石によって形成される磁界の強度は、１，０００Ｇ～１００，０００Ｇの範囲にある、請求項１に記載の電極製造装置。
- 前記磁石を含むローラーは、ローラーの内部中空に配置された磁石を含む構造である、請求項１に記載の電極製造装置。
- 前記乾燥炉は、熱風乾燥、ヒーティングコイル乾燥および誘導加熱乾燥のうちいずれか１つ以上の方式で電極シートを加熱する、請求項１に記載の電極製造装置。
- 集電体上に活物質層が形成された電極シートを、ローラーによって駆動されるコンベヤラインに装着して移送する移送段階と、
前記コンベヤラインの移動経路に位置する乾燥炉を介して電極シートを加熱する乾燥段階と、を含み、
前記活物質層は電極活物質、導電材およびバインダーを含み、かつ前記導電材は、磁性物質と結合された炭素材であり、
前記ローラーのうちいずれか１つ以上は磁石を含むローラーである、電極製造方法。 - 前記乾燥段階を経た電極シートの導電材およびバインダーの含量は、下記式１を満たし、
［式１］
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
前記式１において、
Ｂｔｏｐは、活物質層の厚さ方向を基準として上部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示し、
Ｂｂｏｔｔｏｍは、活物質層の厚さ方向を基準として下部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示す、請求項９に記載の電極製造方法。 - 前記移送段階は、
前記電極シートが、磁石を含むローラーによって形成された磁界領域を通過する過程を含む、請求項１０に記載の電極製造方法。 - 磁石を含むローラーによって形成された磁界の強度は、１，０００Ｇ～１００，０００Ｇの範囲にある、請求項１０に記載の電極製造方法。
- 集電体と、前記集電体上に形成された電極活物質、導電材およびバインダーを含む活物質層と、を含み、かつ
前記導電材は、磁性物質と結合された炭素材で形成され、
前記活物質層を構成する導電材およびバインダーの含量は、下記式１を満たし、
［式１］
０．８５≦Ｂｔｏｐ／Ｂｂｏｔｔｏｍ≦１．１５
前記式１において、
Ｂｔｏｐは、活物質層の厚さ方向を基準として上部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示し、
Ｂｂｏｔｔｏｍは、活物質層の厚さ方向を基準として下部方向の５０％領域に含有された導電材およびバインダーの合算含量（重量部）を示す、二次電池用電極。 - 前記導電材は、磁性物質と結合されたカーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ、ＣＮＴ）を含む、請求項１３に記載の二次電池用電極。
- 前記磁性物質は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、セレニウム（Ｓｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、セリウム（Ｃｅ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）のうち１種以上を含む、請求項１３に記載の二次電池用電極。
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