KR100659863B1 - 이차 전지의 전극 형성 방법 - Google Patents

이차 전지의 전극 형성 방법 Download PDF

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Abstract

집전체에 용매를 포함하는 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 슬러리가 도포된 전극 집전체를 건조시켜 용매를 제거하는 건조 단계를 구비하여 이루어지는 이차 전지의 전극 형성 방법에 있어서, 건조 단계는 슬러리가 도포된 전극 집전체에 열풍이 공급되면서 적외선 램프가 슬러리 상방에서 적외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 형성 방법이 개시된다.
본 발명에 따르면, 전극판의 슬러리에서 용매 성분을 전체적으로 고르고 원활하게 제거하여 집전체와 슬러리 사이의 부착력을 높일 수 있다. 또한 이런 용매 제거 작업이 빠르고 원활히 이루어져 전극 형성에 있어서 애로를 제거할 수 있게 된다.

Description

이차 전지의 전극 형성 방법{Method of making electrode for secondary battery}
도1은 종래에 전극 집전체에 슬러리를 도포하는 방법을 설명하기 위한 개략적 사시도,
도2는 종래의 열풍 건조 장치의 기본 구성을 나타내는 개략적인 단면도,
도3은 본 발명의 이차전지 전극 형성 방법에 사용되는 슬러리 건조 장치 일 예를 나타내는 개략적 구성도이며,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열풍 공급 및 배출과 적외선 조사 형태를 보다 상세히 나타내는 상세 설명도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 집전체 20: 슬릿 다이
30: 슬러리 40,240: 롤러
50: 건조기 110,210: 송풍기
120,220: 배기덕트 112,212: 에어 핀
232: 적외선 램프 234: 에어 샤워 유닛
250: 배면 열풍 공급 노즐
본 발명은 이차 전지의 전극 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지의 전극 활물질 건조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성이 크다. 근래에 캠코더, 휴대용 컴퓨터, 휴대 전화 등 휴대용 전자기기 수요 증가가 이루어지면서 이들 휴대용 전자기기의 전원으로 이차 전지에 대한 연구 개발이 많이 이루어지고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)이온 전지 및 리튬이온(Li-ion) 폴리머 전지가 있다.
이들 이차 전지에서 베어 셀(bare cell)의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 알미늄 또는 알미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다. 전극 혹은 세퍼레이터가 폴리머로 형성되는 폴리머 전지의 경우, 세퍼레이터가 전해액의 역할을 함께 수행하거나, 세퍼레이터에 전해액 성분을 함침시켜 사용하므로 전해액 누액이 문제가 없거나 적어 캔 대신 파우치가 사용되기도 한다.
리튬 이차 전지에서 전극은 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 음극의 경우 구리가 양극의 경우 알미늄이 주로 사용되며, 바인더 로는 PVDF(poly vinylidene fluoride)와 SBR(stylene butadiene rubber), 용매로는 아세톤, NMP(N-메칠프롤리돈) 등이 사용될 수 있고, 물이 사용될 수도 있다.
도1은 종래에 전극 집전체에 슬러리를 도포하는 방법을 설명하기 위한 개략적 사시도이며, 도2는 종래의 열풍 건조 장치의 기본 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 권출기(미도시)에서 통상 롤 형으로 감겨 일정 너비로 공급되는 전극 집전체(10)가 평면상으로 풀리면서 슬릿 다이(20:slit die) 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) 아래로 전극 집전체(10)가 일정하게 지나가므로 전극 집전체(10) 표면에는 일정 두께의 슬러리층(30)이 부착 형성된다.
슬러리는 용매를 많이 포함하는 유동 상태이므로 슬러리 도포 후에는 슬러리에 포함된 용매를 제거하여 활물질층을 안정하게 집전체에 붙어있도록 하는 건조 작업이 요청된다.
통상, 활물질 슬러리 건조에는 열풍 건조 방법이 사용된다. 건조기(50)에서는 열풍을 보내 슬러리의 용매를 휘발시켜 제거하고, 슬러리는 바인더의 작용으로 전극 집전체에 상당 강도로 부착된다. 열풍은 송풍기(110)로 공기의 흐름을 만들고 건조기의 송풍구 부분에 히터를 설치하여 형성할 수 있다. 건조에 사용되는 열풍의 온도는 설계 조건에 의해 달라질 수 있으나 대개 130℃ 정도가 될 수 있다. 송풍기 와 반대편에 진공이 인가되어 슬러리를 거쳐 증발된 용매를 함유하는 열풍을 배출하는 배기 덕트(120)가 설치된다. 건조기 내에서 슬러리(30)는 전극 집전체(10)에 도포된 상태로 롤러에 의해 이동된다.
그런데, 건조기 내의 열풍은 슬러리가 도포된 집전체가 진행하는 건조 구간 모든 부분에서 항상 일정한 것은 아니다. 즉, 건조기를 통과하는 과정에서 열풍의 흐름 방향에 따라 건조 속도가 부위별로 상이할 수 있다.
또한, 열풍 건조의 경우, 집전체 표면에서 열을 전달한 열풍은 증발된 용매와 함께 외부로 배출되고, 배출되는 열풍에는 많은 열에너지가 포함되므로 에너지 효율이 높지 못하다. 가령, 제거되는 용매의 증발에 필요한 열량과 슬러리 건조를 위해 소요되는 열풍을 형성하는 데 드는 실제 열량을 비교하면 50배 이상의 차이가 날 수도 있다.
그리고, 슬러리가 충분히 건조되기 위해서는 기존에는 집전체가 상당 구간 동안 열풍에 의해 건조되어야 하므로 건조기 설치 공간도 많이 소요되고, 공정 시간이 길어져 이차 전지 제조의 애로 구간을 이룰 수 있다. 건조 시간을 줄이기 위해 더 높은 온도의 열풍을 이용하는 방법도 생각할 수 있다. 그러나, 열풍 온도를 높일수록 슬러리가 표면부터 열풍에 의해 건조가 이루어지는 경향이 커지므로 용매에 녹은 바인더가 용매가 표면부터 휘발되면서 용매의 이동을 따라 슬러리 표면으로 집중되는 현상이 발생한다. 이런 현상들은 슬러리와 전극 집전체의 부착 강도를 낮추어 부분적으로 혹은 전반적으로 전극 활물질이 전극 집전체 표면에서 박리되고 이탈되는 문제를 일으킬 수 있다.
또한, 슬러리가 표면부터 건조되면 내부에 용매가 경화된 표면을 잘 통과하지 못하고 갇혀서 충분히 건조되지 못하거나, 이를 건조시키기 위해 건조시간을 늘리거나, 건조 열풍 온도를 높여야 하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 슬러리에 대한 열풍 건조 방법과 달리 슬러리에 근적외선을 조사하여 건조를 실시하는 방법이 한국 특허 공개 번호 2003-0047462 등에 의해 제시되고 있다. 그러나, 실제로 이런 근적외선 조사 방법으로도 다른 문제점들로 인하여 기존의 열풍 건조에 비해 슬러리 건조 시간을 충분히 줄이기 어렵다는 한계가 있다.
가령, 근적외선을 이용하는 방법으로 건조 시간을 줄이기 위해서는 근적외선의 전원 출력을 높여 용매의 증발이 빠르게 이루어지도록 하는 방법이 생각될 수 있으나, 이런 경우에는 건조기를 지나는 전극판에 지속적으로 높은 출력의 근적외선 조사를 계속하기 어렵고, 출력을 시간별로 조절하여야 하며, 그에 따라 전극의 부위별 건조도가 동일하지 않을 수 있다. 또한, 용량이 높은 램프를 높은 밀도로 배치하게 됨에 따라 램프의 냉각이 충분히 이루어지지 못하고, 램프의 수명이 저하되어 장비 유지 비용이 높아지는 문제가 있다.
또한, 충분한 배기가 이루어지지 않을 경우, 건조기를 나올 때 활물질층 표면에 용매나 수분이 함유되는 문제도 생각될 수 있다.
본 발명은 상술하는 종래 이차 전지의 전극 형성 방법의 문제점을 경감시키기 위한 것으로, 전극 집전체와 슬러리 사이의 부착력을 높여 활물질이 전극 집전체에서 박리되는 것을 방지할 수 있는 이차 전지의 전극 형성 방법을 제공하는 것 을 목적으로 한다.
본 발명은 짧은 건조 시간 내에 충분히 슬러리 용매를 제거하여 공정 능률을 높일 수 있는 이차 전지의 전극 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 집전체에 용매를 포함하는 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 슬러리가 도포된 전극 집전체를 건조시켜 용매를 제거하는 건조 단계를 구비하여 이루어지는 이차 전지의 전극 형성 방법에 있어서,
건조 단계는 슬러리가 도포된 전극 집전체에 열풍이 공급되면서 적외선 램프가 슬러리 상방에서 적외선을 조사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 열풍은 슬러리가 도포된 전극 집전체의 진행 방향과 역방향으로 공급되는 것이 바람직하며, 열풍의 온도는 섭씨 80도 내지 섭씨 120도 정도로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 적외선은 2 마이크로 미터 내지 4 마이크로 미터 파장의 적외선을 사용하는 것이 적합하며, 적외선 램프는 건조기 내에서 동일한 간격으로 배치하고, 슬러리와 적외선 램프의 거리는 적외선 램프 사이의 거리의 적어도 1.5배가 되도록 하는 것이 슬러리의 건조 균일성 향상을 위해 바람직하다.
본 발명에서 슬러리가 도포된 집전체의 배면에도 롤러나 배면 열풍 공급에 의해 열이 전달될 수 있다. 배면 열풍은 슬러리 도포면에 대한 열풍 공급 방법과 달리 전극판면에 수직인 방향으로 이루어질 수 있다.
적외선 램프는 냉각을 필요로 하며, 냉매로 공기를 사용할 경우, 램프 냉각 용으로 공급되는 공기가 램프를 거쳐 슬러리 표면으로 공급될 수도 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도3은 본 발명의 이차전지 전극 형성 방법에 사용되는 슬러리 건조 장치 일 예를 나타내는 개략적 구성도이며, 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열풍 공급 및 배출과 적외선 조사 형태를 보다 상세히 나타내는 상세 설명도이다.
슬러리 건조 장치는 전극 제조 장비에서 롤러에 의해 이송되는 전극 집전체의 이동 경로를 기준으로, 슬러리를 도포하는 구간의 뒷 부분에 설치된다.
실시예에서, 건조 장치는 슬러리가 도포된 전극 집전체를 인입하고 반출하는 입출구를 제외한 주변을 차단하는 벽체(260)와, 전극 집전체가 인출되는 측의 벽체에 전극 집전체가 인입되는 측을 향해 열풍을 공급하도록 설치되는 열풍 공급용 송풍기(210), 열풍 공급용 송풍기(210) 반대편 벽체에 열풍을 포집하여 배출하는 배기 덕트(220), 건조 대상인 슬러리가 도포된 반대편에서 전극판을 향하여 열풍을 공급하는 배면 열풍 공급 노즐(250), 건조 대상인 슬러리가 도포된 전극판 면을 향해 적외선을 조사하도록 배열되는 적외선 램프(232), 적외선 램프에 냉각 에어를 공급하는 에어 샤워 유닛(234)을 구비하여 형성된다. 집전체에 슬러리가 도포되어 형성된 전극판은 롤러(240)를 통해 이동될 수 있다.
따라서, 슬러리(30)가 도포된 전극 집전체(10)가 건조 장치의 인입구를 통해 들어오면 반대편 벽체에서 공급되는 열풍에 의해 열을 전달받게 된다. 벽체(260)는 외부로 내부의 열에너지가 전달되어 열 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 단 열재로 이루어지는 것이 바람직하다.
열풍은 섭씨 80도 내지 120도 정도의 온도를 가진다. 인입되는 초기 전극판의 슬러리(30)는 다소 온도가 낮아진 열풍에 닿게 되어 표면 경화에 따른 내부 용매 증발 방해가 줄고, 배출되는 전극판의 슬러리(30)는 더 높은 온도의 열풍에 닿게 되어 잔여 용매의 증발, 배출이 지속될 수 있도록 한다.
열풍 공급용 송풍기(210)는 모터에 의해 팬을 돌려 외부 공기를 일정 압력으로 공급하는 일반 송풍기의 공기 출구 측에 공기를 가열할 히터(미도시)를 설치하여 형성할 수 있다. 송풍기의 공기 출구인 송풍구(214)에는 열풍의 방향을 제어할 수 있도록 평행하게 복수의 에어 핀(212)이 설치된다. 에어 핀(212)은 열풍이 다소 하향하면서 전극 집전체가 공정 중에 움직이는 방향과 반대 방향으로 전극 집전체 표면에 도포된 슬러리를 스쳐지나도록 기울어져 있다.
열풍은 상대적으로 비중이 낮아 약간씩 상승하므로 슬러리(30) 표면에서 거의 전극 집전체(10) 면과 평행하게 흐르게 된다. 그 과정에서 열풍은 가지고 있는 열을 슬러리에 전달하면서 슬러리 온도를 높인다. 슬러리 내의 용매는 열에 의해 기화되어 증기 형태로 슬러리 밖으로 배출되며, 배출됨과 동시에 열풍 공기에 포함되어 함께 이동하여 배기 덕트(220)를 통해 건조 장치 밖으로 배출된다. 열풍은 슬러리 표면을 일정 상대속도로 스치게 되므로 슬러리 표면에는 상대속도가 높을수록 압력이 낮아져 증발된 용매가 슬러리로부터 배출되는 작용을 원활하게 할 수 있다. 또한, 슬러리(30) 밖으로 배출된 용매 성분을 계속적으로 건조 장치 밖으로 배출하여 용매 분압을 낮추므로 용매가 증발되는 것을 돕는 작용도 한다. 한편, 적외선 램프(232)가 전극판이 흐르는 위로 배열된 상태에서 열풍은 공기의 흐름에 따라 건조 장치 내부의 온도 균일도를 높이는 역할을 할 수 있다.
한편, 건조 장치 내부의 온도 균일성을 향상시키고, 슬러리에 열을 공급하는 수단의 일부로서 건조 대상인 슬러리가 도포된 전극판의 배면을 향해 배면 열풍 공급 노즐(250)을 통해 열풍을 공급하는 배면 열풍 공급 장치도 구비되어 있다.
슬러리는 또한, 적외선 램프(232)로부터 적외선을 받는다. 전외선 램프는 복수 개가 열을 지어 설치되며, 일정 간격과 전극판으로부터의 거리를 유지하도록 배열될 수 있다. 램프의 과열 및 파손을 방지하기 위해 주변에 케이스가 설치되고, 냉각 에어를 공급하는 에어 샤워 유닛(234)이 설치되어 적외선 램프(232)는 모듈화된 형태를 가지게 된다. 기재에 전달되는 에너지량과 기재 온도 등을 측정하기 위한 적외선 온도계가 적외선 램프 모듈에 부착될 수 있다.
적외선은 슬러리 내부로 침투하여 용매에 직접 작용하면서 용매 분자를 진동시켜 그 열에 의해 용매가 증발하도록 한다. 따라서, 적외선 램프 건조는 효율이 높으며, 슬러리 내부에도 작용하게 된다. 건조 장치 내의 전 구간에 램프가 배열되어 건조 장치를 지나는 동안 슬러리의 용매는 계속 적외선과 작용하여 슬러리 밖으로 증발, 배출된다. 이때 적외선 램프의 냉각용 공기도 일종의 열풍으로서의 역할을 할 수 있다.
결과적으로 슬러리의 용매는 열풍과 적외선에 의해 동시에 에너지를 받아 증발되어 슬러리 밖으로 배출된다. 건조 초기부터 적외선의 영향을 주로 받아 슬러리 내부에서도 활발히 용매가 제거되므로 고온 열풍 건조와 달리 슬러리 표면이 굳어 내부 용매 배출을 방해하는 문제는 많지 않다. 또한, 열풍에 의해 건조 장치 내의 분위기가 일정한 온도와 압력으로 조절될 수 있으며, 용매 성분이 원활히 슬러리를 벗어나, 이동되어 건조 장치 밖으로 배출되므로 열풍은 슬러리 건조 효율을 상승적으로 높이는 작용을 한다. 또한, 열풍은 건조 장치 후반부에 슬러리에 잔류한 용매 성분을 지속적으로 특히 슬러리 표면에서 활발히 제거하는 작용을 하게 된다.
슬러리는 내부와 표층에서 건조가 이루어져, 단시간 내에 잔류 용매 성분이 별로 없는 상태가 되고, 바인더의 편중이 없어 집전체 표면에 활물질층이 잘 붙은 상태를 유지하게 된다.
건조 장치에서 열풍과 증발된 용매의 원활한 배출을 위해 배기 덕트(220)에는 적정한 용량의 배기 팬이 설치되는 것이 통상적이다. 열풍이 흡입되는 배기 덕트의 배기구(224)에는 송풍구(214)의 에어 핀(212)과 같은 조절판(222)이 존재하여 배기 흐름을 일정한 층류를 이루고 원활히 배출되도록 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극판의 슬러리에서 용매 성분을 전체적으로 고르고 원활하게 제거하여 집전체와 슬러리 사이의 부착력을 높일 수 있다. 또한 이런 용매 제거 작업이 빠르고 원활히 이루어져 전극 형성에 있어서 애로를 제거할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 전극 집전체에 용매를 포함하는 활물질 슬러리를 도포하는 단계,
    상기 전극 집전체에 도포된 활물질 슬러리를 건조시켜 용매를 제거하는 건조 단계를 구비하여 이루어지는 이차 전지의 전극 형성 방법에 있어서,
    상기 건조 단계는 상기 슬러리에 열풍이 공급되면서 적외선 램프가 상기 슬러리 상방에서 적외선을 조사하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열풍은 상기 슬러리가 도포된 전극 집전체의 진행 방향과 역방향으로 공급되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 형성 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열풍의 온도는 섭씨 80도 내지 섭씨 120도인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적외선은 2 마이크로 미터 내지 4 마이크로 미터 파장의 적외선인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적외선 램프는 복수 개를 건조 공간에 동일한 간격으로 배치하고, 상기 슬러리와 상기 적외선 램프의 거리는 상기 적외선 램프 사이의 거리의 적어도 1.5배가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 단계에서 상기 슬러리가 도포된 전극 집전체의 배면에 롤러나 배면 열풍 공급에 의해 열이 전달되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 형성 방법.
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