KR100646550B1 - 이차 전지의 전극판과 이차 전지의 전극판 코팅 장치 - Google Patents

이차 전지의 전극판과 이차 전지의 전극판 코팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 집전체와 전극 집전체의 양면에 같은 방향으로 코팅된 활물질층의 일측 단부에 형성된 끌림부분을 함께 절단함으로써 균일한 두께의 활물질층을 가져 전극판간의 단락(short)를 방지할 수 있는 이차 전지의 전극판에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 전극판은 전극 집전체와 상기 전극 집전체의 양면에 코팅된 활물질층으로 이루어지며, 상기 전극판의 적어도 일측단부는 상기 전극 집전체 및 상기 집전체 양면에 형성된 활물질층이 함께 절단되어 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

이차 전지의 전극판과 이차 전지의 전극판 코팅 장치{Electrode plate of secondary battery and coating apparatus for the same}
도 1은 종래의 전극 집전체에 슬러리를 도포하는 도포장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 종래의 슬러리가 도포된 전극집전체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 이차 전지의 전극판이 형성되기 전의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 이차 전지의 전극판을 형성하기 위해 코팅장치를 나타내는 부분 구성도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 110: 전극 집전체 20, 120, 123: 슬릿다이
30, 40, 130, 140: 활물질층 31, 41, 131, 141: 활물질층의 끝단부
50: 건조기 70, 170, 180: 이송롤러
101: 권출기 150: 권취기
본 발명은 이차 전지의 전극판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 집전체와 전극 집전체의 양면에 같은 방향으로 코팅된 활물질층의 일측 단부에 형성된 끌림부분을 함께 절단함으로써 균일한 두께의 활물질층을 가져 전극판간의 단락(short)를 방지할 수 있는 이차 전지의 전극판에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.
일반적으로, 리튬이온전지 및 리튬 폴리머 전지와 같은 이차 전지는 캔 내부에 전해액과 함께 전극 조립체가 내장되어 있다. 이러한 전극 조립체는 다시 양극판, 세퍼레이터 및 음극판으로 이루어져 있으며, 상기 양극판(또는 음극판)은 포일 형태의 양극(또는 음극) 집전체와, 그 표면에 코팅된 양극(또는 음극) 활물질로 구성되어 있다. 더불어, 상기 극판중 집전체에는 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성되어 있는데, 이러한 무지부에는 통상 외부 회로와 연결하기 위한 도전탭이 용접되어 있다.
리튬 이차 전지의 전극판은 금속박이나 금속 메시(mesh)로 이루어진 집전체 표면에 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포함으로써 이루어지는 경우가 많다. 슬러리는 통상 용매와 가소제, 전극 활물질, 바인더 등을 섞는 방법으로 형성된다. 전극 집전체로는 전극 극성에 따라 구리 및 알루미늄이 주로 사용되며, 바인더로는 PVDF(poly vinylidene fluoride)와 SBR(stylene butadiene rubber), 용매로는 아세톤, NMP(N-메치프롤리돈) 등이 사용될 수 있다. 한편, 용매로 물이 사용되는 경우 도 있다.
도 1은 종래의 이차 전지의 전극 집전체에 슬러리를 도포하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 권출기(미도시)에서 통상 롤 형으로 감겨 일정 너비로 공급되는 전극 집전체(10)가 평면상으로 풀리면서 슬릿 다이(slit die) (20)의 하부, 건조기(50)를 거쳐 권취기(미도시)에서 다시 감기게 된다. 슬릿 다이(20)는 슬러리 탱크(미도시)에서 슬러리를 공급받아 슬릿 형태로 길게 형성된 다이를 통해 슬러리를 고르게 뿌려주는 역할을 한다. 슬릿 다이(20) 하부로 전극 집전체(10)가 일정하게 지나가므로 전극 집전체(10) 표면에는 일정 두께의 활물질층(30)이 부착 형성된다.
슬러리는 용매를 많이 포함하는 유동 상태이므로 건조기(50)에서는 열풍을 보내 슬러리의 용매를 휘발시켜 제거하고, 슬러리는 바인더의 작용으로 전극 집전체에 상당 강도로 부착된다. 도면부호 70은 전극 집전체를 이동시키는 이송롤러이다.
전극 집전체(10)는 양면에 전극 활물질막을 가지며, 이를 위해 전극 집전체(10)에는 면을 바꾸어가며 두번의 슬러리 도포가 이루어진다. 따라서, 한번의 슬러리 도포가 이루어진 막은 슬러리 건조 후 권취기에 권취된 다음 다시 권출기 쪽으로 옮겨져 반대면 도포를 준비하게 된다. 한편, 전극 집전체(10)의 양면에 도포되는 활물질의 패텬은 각 패턴의 시작과 끝이 양면에서 일치하지 않는 경우가 일반적이다.
따라서, 전극 집전체(10)의 일면에 먼저 활물질이 포함된 슬러리를 도포하고, 건조시킨 상태에서 롤 형태로 일단 권취하고, 다시 이 권취된 롤을 권출시키면서 나머지 면에 정해진 패턴에 따라 활물질이 포함된 슬러리 시작과 끝점을 조절하면서 활물질을 포함한 슬러리를 도포, 건조, 권취하게 된다.
도 2는 도 1의 슬러리 도포방법에 따라 슬리리가 도포된 전극 집전체를 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극 집전체(10)의 상면 및 하면에 슬러리가 도포되어 각각 일정 두께의 활물질층(30,40)이 형성된다. 그런데, 도 1의 슬릿 다이(20)를 이용해 슬러리를 도포할 때, 전극 집전체(10)의 각각의 상면 및 하면의 슬러리 도포가 끝나는 활물질층(30,40)의 끝단부(31,41)에 끌림현상이 발생하여 단차가 형성된다. 여기서, 전극 집전체(10)의 상면 및 하면의 코팅 방향은 서로 다르기 때문에 단차를 갖는 활물질층(30,40)의 끝단부(31,41) 각각은 서로 다른 방향에 위치한다. 이렇게 단차진 끝단부(31,41)는 날카롭기 때문에 단차진 끝단부(31,41)를 갖는 활물질층(30,40)이 형성된 전극판을 세퍼레이터와 함께 권취하게 되면, 활물질층(30,40)의 날카로운 끝단부(31,41)가 세퍼레이터를 손상시켜 극판간의 단락(short)을 발생시킬 수 있다. 이 경우, 이차 전지의 발열, 연기, 화염 및 폭발을 유발할 수 있어, 매우 위험한 상태가 된다.
이를 방지하기 위해, 활물질층(30,40)의 끝단부(31,41)에 소정 폭 및 길이를 갖는 테이프를 라미네이팅한다. 그러나, 활물질층의 끝단부(31,32)를 덮기 위해 별도의 라미네이팅 테이프를 필요로 하기 때문에 제조 비용이 상승할 수 있고, 별도 의 라미네이팅 공정이 추가되어 작업의 효율성을 떨어뜨릴 수 있는 문제점이 있다.
또한, 활물질층의 끝단부에 끌림현상으로 활물질이 불균일하게 되면 이차 전지의 충·방전시 전극판에 리튬염이 석출될 수 있고, 석출된 리튬염이 세퍼레이터를 손상시켜 극판간의 단락(short)을 발생시킬 수 있다.
그리고, 종래의 슬러리 도포 방법은 각각의 집전체 면에 슬러리를 별개로 도포해야 하므로 도포 단계와 건조 단계가 두번씩 이루어지며 그에 따른 시간과 공정 비용 소모가 많아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전극 집전체와 전극 집전체의 양면에 같은 방향으로 코팅된 활물질층의 일측 단부에 형성된 끌림부분을 함께 절단함으로써 균일한 두께의 활물질층을 가져 전극판간의 단락(short)를 방지할 수 있는 이차 전지의 전극판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 전극판은 전극 집전체와 상기 전극 집전체의 양면에 코팅된 활물질층으로 이루어지며, 상기 전극판의 적어도 일측단부는 상기 전극 집전체 및 상기 집전체 양면에 형성된 활물질층이 함께 절단되어 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 전극 집전체 양면 각각에 형성된 활물질층은 상기 전극 집전체에 같은 방향으로 코팅되어 이루어질 수 있다.
상기 전극판의 타측에는 상기 전극 집전체의 양면에 상기 활물질층의 도포 개시부이고, 상기 전극 집전체의 단면에 전극탭이 부착될 무지부가 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 따른 이차 전지의 전극판 코팅 장치는 롤 상태인 전극 집전체를 풀어주기 위한 권출기, 상기 권출기에 연결되어 상기 권출기로부터 풀리는 상기 전극 집전체를 이송하기 위한 제 1 이송롤러, 상기 제 1 이송롤러로부터 이송되는 상기 전극 집전체의 상부방향에 위치하는 제 1 면에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅하기 위한 제 1 슬릿다이, 제 1 슬릿다이를 통해 상기 슬러리가 코팅된 상기 전극 집전체의 제 1 면을 상기 집전체의 하부방향으로 위치하도록 바꾸면서 이송시키기 위한 제 2 이송롤러, 상기 제 2 이송롤러에 의해 전극 집전체의 상부방향에 위치하는 제 2 면에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅하기 위한 제 2 슬릿다이, 및 상기 제 1 및 제 2 면에 활물질 슬러리가 코팅된 상기 전극 집전체를 권취하기 위한 권취기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 이송롤러는 적어도 둘 이상이며, 상기 각각의 제 1 이송롤러는 상기 권출기와 상기 권취기 각각에 연결될 수 있다.
상기 제 2 이송롤러는 적어도 둘 이상이며, 상기 각각의 제 2 이송롤러는 서로 수직방향으로 배치되어 연결될 수 있다.
상기 각각의 제 1 이송롤러는 각각의 제 2 이송롤러와 수평방향으로 배치될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 슬릿다이 각각은 상기 전극 집전체의 상부에 위치하며, 상기 제 1 이송롤러와 제 2 이송롤러 사이 각각에 배치될 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 이차 전지의 전극판이 형성되기 전의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이차 전지의 전극판은 전류를 모으는 포일 형태의 전극 집전체(110)와, 상기 전극 집전체(110) 양면에 코팅된 활물질층(130,140)으로 이루어진다. 더불어, 상기 전극 집전체(110)에는 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성되어 있다.
전극 집전체(110)는 극성에 따라 구리 및 알루미늄이 주로 사용되며, 외부로 전기를 통하게 하는 매개체가 된다.
활물질층(130,140)의 활물질은 극성에 따라 LiCoO2 같은 금속 산화물 및 탄소(C) 계열 물질이 주로 사용되며, 전기를 발생시키는 역할을 한다. 여기서, 활물질층(130,140)은 동일한 물질이다.
상기와 같은 구성을 가지는 전극판을 형성하기 위해 전극 집전체(110)에 활물질을 포함하는 슬러리를 도포시 전극 집전체(110)의 각각의 상면 및 하면의 활물질 슬러리 도포가 끝나는 활물질층(130,140)의 끝단부(131,141)에 활물질 슬러리의 끌림현상이 발생하여 단차가 형성된다. 여기서, 전극 집전체(110)의 상면 및 하면의 코팅 방향은 한 방향으로 같은 방향이기 때문에 단차가 형성되는 활물질층(130,140)의 끝단부(131,141) 각각은 서로 같은 방향에 위치한다. 이렇게 같은 방 향에 형성된 활물질 활물질층(130,140)의 끝단부(131,141)는 이차 전지의 조립과정중 절단기(미도시)를 통해 절단되어, 전극판은 일정한 두께의 활물질층을 갖게된다.
상기와 같이, 전극 집전체 양면의 활물질 슬러리의 끌림 부분은 같은 방향으로 형성된다. 같은 방향으로 형성된 활물질 슬러리의 끝단부의 끌림부분을 절단시켜 이루어진 전극판은 세퍼레이터와 함께 권취시 세퍼레이터를 손상시키지 않으므로 전극판간의 단락(short)을 방지할 수 있고, 종래의 다른 방향으로 형성된 활물질 슬러리의 끝단부의 끌림부분에 부착시켰던 라미네이팅 테이프를 별도로 필요로 하지 않으므로 별도의 라미네이팅 테이프에 대한 비용도 줄일 수 있다.
도 4는 도 3의 이차 전지의 전극판을 형성하기 위해 코팅장치를 나타내는 부분 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 이차 전지 전극판의 코팅장치는 전극 집전체(110)가 감기어져 있는 권출기(101), 권출기(101)에 연결되어 권출기(101)로부터 풀리는 전극 집전체(110)를 이송하기 위한 제 1 이송롤러(170), 제 1 이송롤러(170)로부터 이송되는 전극 집전체(110)의 상부방향에 위치하는 제 1 면에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅하기 위한 제 1 슬릿다이(120), 제 1 슬릿다이(120)를 통해 슬러리가 코팅된 전극 집전체(110)의 제 1 면을 전극 집전체(110)의 하부방향으로 위치하도록 바꾸면서 이송시키기 위한 제 2 이송롤러(180), 제 2 이송롤러(180)에 의해 전극 집전체(110)의 상부방향에 위치하는 제 2 면에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅하기 위한 제 2 슬릿다이(123), 및 제 1 및 제 2 면에 활물 질 슬러리가 코팅된 전극 집전체(110)를 권취하기 위한 권취기(150)를 포함한다.
권출기(101)는 이차 전지의 전극을 구성할 전극 집전체(110)가 일정 너비의 롤 상태로 감겨져 있다. 권출기(101)는 고온 챔버에 설치될 수 있다. 고온 챔버의 온도는 80℃ 내지 100℃를 유지하도록 하며, 일정 온도의 유지를 위해서 온도 센서와 가열 히터 등의 온도 조절 장치가 연결되어 내장될 수 있다. 전극 집전체(101) 면에서 수분을 제거하기 위한 고온 처리는 수 분 정도로 이루어지도록 한다. 그리고, 권출기(101)는 전극 집전체(110)를 풀어주기 위한 권출용 롤러를 포함한다.
제 1 이송롤러(170)는 권출기(101)에 연결되어 권출기(101)에서 롤(roll) 상태의 전극 집전체(110)를 평면상태로 바꾸면서 이송하는 역할을 한다. 또한, 또다른 제 1 이송롤러(170)는 권취기(150)에 연결되어 슬러리의 도포가 완료된 전극 집전체(110)를 권취기로 이송시키는 역할을 한다.
제 1 슬릿다이(120)는 전극 집전체(110)의 상부에 설치되며, 활물질, 바인더, 도전제 및 용매를 포함하는 슬러리를 공급받아 전극 집전체(110)의 상부에 위치해 있는 제 1 면에 활물질 슬러리를 도포하여 활물질층(130)을 형성한다. 활물질층(130)은 일정 두께로 형성되어 이뤄지지만, 슬러리 도포가 완료되는 활물질층(130)의 끝단부(131)에는 끌림현상이 발생하여 단차가 형성된다.
제 2 이송롤러(180)는 제 1 면에 활물질층(130)이 형성된 전극 집전체(110)를 이송시키며 동시에 제 1 면이 전극 집전체(110) 하부방향으로 위치하도록 하여 제 1 면과 반대되는 제 2 면을 전극 집전체(110)의 상부방향으로 위치하도록 한다. 여기서, 제 2 이송롤러(180)은 두개이며, 각각의 제 2 이송롤러(180)는 서로 수직 방향으로 배치되어 연결된다. 그리고 각각의 제 2 이송롤러(180)는 각각의 제 1 이송롤러(170)와 수평방향으로 배치된다.
제 2 슬릿다이(123)는 제 1 슬릿다이(120)와 같이 전극 집전체(110)의 상부에 설치되며, 활물질, 바인더, 도전제 및 용매를 포함하는 슬러리를 공급받아 전극 집전체(110)의 상부방향에 위치해 있는 제 2 면에 활물질 슬러리를 도포하여 활물질층(140)을 형성한다. 활물질층(140)은 일정 두께로 형성되어 이뤄지지만, 슬러리도포가 완료되는 활물질층(140)의 끝단부(141)에 끌림현상이 발생하여 단차가 형성된다. 여기서, 제 1 슬릿다이(120)와 제 2 슬릿다이(123) 각각은 제 1 이송롤러(170)와 제 2 이송롤러(180) 사이 각각에 배치된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 면에 형성된 활물질층(130)과 제 2 면에 형성된 활물질층(140)의 끝단부(131,141)는 같은 방향에 형성된다.
권취기(150)는 건조기(미도시)를 통과한 전극 집전체(110)를 권취하는 역할을 한다. 권취기(150)은 전극 집전체(110)의 권취를 위해 권취용 롤러를 더 포함한다.
이렇게 권취된 전극 집전체(110)의 양면에 형성된 활물질층의 끝단부(131,141)는 전극판 조립 공정상에서 절단기(미도시)를 통해 절단된다.
상기와 같은 구성을 갖는 이차 전지의 전극판의 도포장치는 전극 집전체의 상면과 하면의 방향을 바꿔주는 이송롤러를 구비하여 한쪽 방향으로 한번에 전극 집전체 양면의 슬러리 도포를 가능하게 해주고 한번의 건조단계를 거치게 하므로 도포공정의 시간을 단축시킬 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 전체 제조시간을 줄 일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지의 전극판은 전극 집전체와 전극 집전체 양면에 같은 방향으로 코팅된 활물질이 함께 절단되어 이루어진다. 이러한 전극판은 균일한 두께의 활물질층을 가짐으로써 세퍼레이터와 함께 권취시 세퍼레이터를 손상시키지 않으므로 전극판간의 단락(short)을 방지할수 있고, 종래의 단차가 형성된 활물질층의 끝단부에 부착시켰던 라미네이팅 테이프를 별도로 필요로 하지 않으므로 별도의 라미네이팅 테이프에 대한 비용도 줄일 수 있고, 별도의 라미네이팅 공정을 제거함으로써 작업의 효율성을 높일수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지의 전극판의 코팅장치는 전극 집전체의 상면과 하면의 방향을 바꿔주는 이송롤러를 구비하여 한쪽 방향으로 한번에 전극 집전체 양면의 슬러리 도포를 가능하게 해주고 한번의 건조단계를 거치게 하므로 도포공정의 시간을 단축시킬 수 있다. 이에 따라, 도포공정시간을 단축함으로 전체적인 제조시간을 줄일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (9)

  1. 전극 집전체와 상기 전극 집전체의 양면에 코팅된 활물질층으로 이루어지는 이차전지의 전극판에 있어서,
    상기 전극판의 적어도 일측단부는 상기 전극 집전체 및 상기 집전체 양면에 형성된 활물질층이 함께 절단되어 이루어짐을 특징으로 하는 이차 전지의 전극판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 집전체 양면 각각에 형성된 활물질층은 상기 전극 집전체에 같은 방향으로 코팅된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극판.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전극판의 타측에는 상기 전극 집전체의 양면에 상기 활물질층의 도포 개시부가 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극판.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극판의 타측에는 상기 전극 집전체의 단면에 전극탭이 부착될 무지부가 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극판.
  5. 롤 상태인 전극 집전체를 풀어주기 위한 권출기,
    상기 권출기에 연결되어 상기 권출기로부터 풀리는 상기 전극 집전체를 이송하기 위한 제 1 이송롤러,
    상기 제 1 이송롤러로부터 이송되는 상기 전극 집전체의 상부방향에 위치하는 제 1 면에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅하기 위한 제 1 슬릿다이,
    제 1 슬릿다이를 통해 상기 슬러리가 코팅된 상기 전극 집전체의 제 1 면을 상기 집전체의 하부방향으로 위치하도록 바꾸면서 이송시키기 위한 제 2 이송롤러,
    상기 제 2 이송롤러에 의해 전극 집전체의 상부방향에 위치하는 제 2 면에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅하기 위한 제 2 슬릿다이, 및
    상기 제 1 및 제 2 면에 활물질 슬러리가 코팅된 상기 전극 집전체를 권취하기 위한 권취기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극판 코팅 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 이송롤러는 적어도 둘 이상이며, 상기 각각의 제 1 이송롤러는 상기 권출기와 상기 권취기 각각에 연결됨을 특징으로 하는 이차 전지의 전극판 코팅 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 이송롤러는 적어도 둘 이상이며, 상기 각각의 제 2 이송롤러는 서로 수직방향으로 배치되어 연결됨 특징으로 하는 이차 전지의 전극판 코팅 장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 각각의 제 1 이송롤러는 각각의 제 2 이송롤러와 수평방향으로 배치됨을 특징으로 하는 이차 전지의 전극판 코팅 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 슬릿다이 각각은 상기 전극 집전체의 상부에 위치하며, 상기 제 1 이송롤러와 제 2 이송롤러 사이 각각에 배치됨을 특징으로 하는 이차 전지의 전극판 코팅 장치.
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