KR101201124B1 - 이차 전지의 전극 활물질 도포 방법 - Google Patents

Abstract

전극 집전체의 제1 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 상기 제1 면에 도포된 활물질이 건조되기 전에 상기 전극 집전체의 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 상기 제1 면 및 제2 면에 도포된 활물질 슬러리를 건조하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지 전극 활물질 도포 방법이 개시된다. 이때, 제1 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계와 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계는 동시에 이루어지거나, 순차적으로 이루어질 수 있다.

또한, 전극 집전체의 제1 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 상기 제1 면에 도포된 활물질을 건조시키는 단계, 상기 전극 집전체의 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 상기 제2 면에 도포된 활물질 슬러리를 건조하는 단계를 순차적으로 구비하되, 이들 단계 사이에 전극 집전체를 롤 형태로 권취하는 중간 권취가 없이, 즉, 인라인 상태로 이루어지는 도포 방법도 개시된다.

Description

이차 전지의 전극 활물질 도포 방법 {Method of coating electrode materials for secondary battery}

도1은 종래에 전극 집전체에 슬러리를 도포하는 방법을 설명하기 위한 개략적 사시도,

도2 및 도3은 본 발명 일 측면의 실시예들에 따라 이차 전지 전극 활물질 슬러리가 도포되는 형태를 개념적으로 나타내는 간략화된 설명도이다.

도4는 본 발명의 다른 측면에서 일 실시예에 따라 활물질 슬러리 도포가 이루어지는 형태를 개념적으로 나타내는 간략화된 설명도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 전극 집전체 20,21,23: 슬릿 다이

25: 콘트롤러 60,161,163: 측정장치

30,130,140: 슬러리 40: 풀리

50: 건조기 101: 권출기

150: 권취기

본 발명은 이차 전지의 전극 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지의 전극 집전체에 전극 활물질 도포, 건조하는 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 합금 등의 재질로 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 전극 극성에 따라 구리 및 알미늄이 주로 사용되며, 바인더로는 PVDF(poly vinylidene fluoride)와 SBR(stylene butadiene rubber), 용매로는 아세톤, NMP(N-메칠프롤리돈) 등이 사용될 수 있다. 한편, 용매로 물이 사용되는 경우 도 있다.

도1은 종래에 전극 집전체에 슬러리를 도포하는 방법을 설명하기 위한 개략적 사시도이다.

도1을 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 건조기(50)에서는 열풍을 보내 슬러리의 용매를 휘발시켜 제거하고, 슬러리는 바인더의 작용으로 전극 집전체에 상당 강도로 부착된다. 도면부호 40은 전극 집전체를 이동시키는 풀리이다.

전극 집전체는 양면에 전극 활물질막을 가지며, 이를 위해 전극 집전체에는 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 집전체의 양면에 도포되는 활물질의 패턴은 각 패턴의 시작과 끝이 양면에서 일치하지 않는 경우가 일반적이다.

따라서 전극 집전체의 일면에 먼저 활물질 슬러리를 도포하고, 건조시킨 상태에서 롤 형태로 일단 권취하고, 다시 이 권취된 롤을 권출시키면서 나머지 면에 정해진 패턴에 따라 활물질 슬러리 시작과 끝점을 조절하면서 활물질을 도포, 건 조, 권취하게 된다.

그러나, 이러한 종래의 슬러리 도포 방법은 각각의 집전체 면에 슬러리를 별개로 도포해야 하는 관계로 도포 단계와 건조 단계가 두번씩 이루어지며 그에 따른 시간과 공정 비용 소모가 많았다.

또한, 전극 활물질의 양을 측정하기 위해 도포된 전극 활물질 슬러리가 일단 건조된 후에 전극판의 두께를 평균적으로 측정하는 등의 방법이 사용되었으므로 전극 집전체에 도포가 이루어지고 건조가 되는 구간까지는 활물질 슬러리의 도포가 정상적으로 이루어지는 지 확인할 수 없었다. 따라서 활물질 슬러리의 도포가 비정상적으로 이루어지는 경우에도 어느 정도 공정이 진행되어 건조가 이루어진 부분이 두께 측정기를 통과하는 시점이 되어야 이상을 감지할 수 있었다.

본 발명은 상술하는 종래 이차 전지의 전극 형성 방법의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 전극 집전체에 활물질 슬러리를 짧은 공정 시간 내에 정확한 양을 도포할 수 있는 이차 전지의 활물질 도포 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 전극 집전체에 활물질을 정확한 패턴에 따라 정량으로 도포할 수 있는 이차 전지의 활물질 도포 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

전극 집전체의 제1 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 상기 제1 면에 도포된 활물질이 건조되기 전에 상기 전극 집전체의 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 상기 제1 면 및 제2 면에 도포된 활물질 슬러리를 건조하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제1 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계와 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계는 동시에 이루어지거나, 순차적으로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제1 면과 제2 면에 활물질 슬러리 도포가 동시에 이루어질 경우, 도포된 활물질의 양을 측정하는 단계가 활물질 슬러리를 건조하는 단계에 앞서 존재하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제1 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계와 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계 사이에는 제1 면에 도포된 활물질의 양을 측정하는 단계가 이루어지고, 이 단계에서 이루어진 측정값에 따라 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계에서 활물질 슬러리의 양이 조절될 수 있다. 이때 제2면에 도포되는 활물질 슬러리를 조절하는 단계에서는 제1 면과 제2 면에 도포되는 활물질의 총량이 일정 범위 내에 있도록 조절이 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극 집전체의 제1 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 상기 제1 면에 도포된 활물질을 건조시키는 단계, 상기 전극 집전체의 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계, 상기 제2 면에 도포된 활물질 슬러리를 건조하는 단계를 순차적으로 구비하되, 이들 단계 사이에 전극 집전체를 롤 형태로 권취하는 중간 권취가 없이, 즉, 인라인 상태로 이루어지는 것을 특징으 로 한다.

본 발명에서 제1 면에 대한 슬러리 도포와 제2 면에 대한 슬러리 도포 후에는 건조 전에 활물질 도포 두께를 측정하는 공정 단계가 구비되는 것이 바람직하다. 이때, 제1 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계와 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계 사이에 있는 도포 두께 측정 단계에서는 제1 면에 도포된 활물질의 양을 측정하고, 그 측정값에 따라 제2 면에 활물질 슬러리를 도포하는 단계에서 활물질 슬러리의 양이 조절되는 것이 바람직하다. 이때 제2면에 도포되는 활물질 슬러리양은 제1 면과 제2 면에 도포되는 활물질의 총량이 일정 범위 내에 있도록 조절되는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 전극 형성 방법을 설명하기 위한 이차 전지 전극 형성 장치의 부분적 구성도이다.

도2를 참조하면, 이차 전지 음극을 구성할 전극 집전체(10)인 구리 박판이 일정 너비의 롤 상태로 권출기(101)에 비치된다. 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(10) 면에서 수분을 제거하기 위한 고온 처리는 수 분 정도로 이루어지도록 한다.

권출기(101)에서 롤러를 통해 구리 박판은 롤(roll) 권취 상태에서 평면 상 태로 바뀌면서 도포부로 이동한다. 도포부에도 구리 박판을 편 상태로 이동시키기 위한 롤러가 구비되고 도포부에는 슬릿 다이(21,23)의 해드가 위치한다.

슬릿 다이(21,23)의 해드는 구리 박판의 상하에 설치되며, 해드의 끝부분이 구리 박판의 면에 거의 닿지 않으면서 해드에서 공급되는 슬러리(130,140)가 진행되는 구리 박판에 묻어 나가게 된다. 슬러리(130,140)는 그 점도 및 배출압 조절 등을 통해 구리 박판의 상하면에 일정 두께로 형성될 수 있다. 구리 박판의 상하면에 슬릿 다이(21,23)의 해드가 슬러리(130,140)를 공급하는 시간은 상하 슬릿 다이 해드에서 별도로 관리된다. 따라서, 활물질이 구리 박판의 상하면 각각에 필요한 구간마다 도포되도록 한다.

이때, 적어도 하부의 슬릿 다이(23) 해드에서는 슬러리(140)가 구리 박판에 묻도록 슬릿 다이 해드의 슬러리에 일정 압력을 주어 중력에 대항하여 슬러리가 구리 박판에 묻도록 슬러리를 아래에서 위쪽으로 밀어주는 작용이 이루어지는 것이 바람직하다.

구리 박판 상하면에 도포된 활물질 슬러리에 대해 용매가 제거되지 않은 상태에서 슬러리 내의 활물질 양이 측정된다. 이를 위해 슬릿 다이 해드의 뒤쪽에는 활물질의 양을 측정할 수 있는 측정장치(60)가 설치된다. 활물질 양은 슬러리의 두께나 신호의 투과도 등을 통해 직접, 간접으로 측정될 수 있다.

만약, 도포 두께를 통해 환산한 활물질 양이 정상 범위를 벗어난다면 슬러리 도포는 중단된다. 이미 슬러리가 도포된 구리 박판 앞 부분에 대한 폐기가 이루어지고, 다시 구리 박판에 도포 두께를 맞추어 슬러리(130,140) 도포를 진행한다.

이때, 도포 두께 측정 장치(60)는 종래의 송풍 건조 구간 후에 있던 것을 활물질 도포가 이루어진 슬릿 다이 해드 직후방에 존재하도록 한다. 따라서, 도포 두께에 이상이 있을 경우, 슬러리를 건조시켜 용매를 제거하기 위한 송풍 건조 구간을 지나기 전에 활물질 양을 측정하여 도포 이상을 감지하므로 폐기되는 이상 도포 부분이 매우 작아진다.

도포 이상이 발견되지 않으면 슬러리(130,140)가 상하면에 도포된 구리 박막이 가열 및 송풍 건조 장치를 지난다. 용매가 휘발, 제거되고, 활물질 슬러리가 단단히 코팅된 전극 집전체(10), 즉, 구리 박판이 권취기에 감긴다.

이런 실시예에서는 전극 집전체의 상하면에 활물질 슬러리가 동시에 도포되고, 건조되므로 각 면에 활물질을 별도로 도포하고, 건조시키던 종래의 공정에 비해 공정 능률을 높일 수 있다.

도3은 본 발명의 다른 실시예에서 활물질 슬러리가 도포되는 형태를 개념적으로 나타내는 간략화된 설명도이다.

본 실시예에서는 도2의 실시예와 비교할 때 전극 집전체(10)의 상면과 하면에 대한 슬러리 도포가 동시에 이루어지지 않고 일정 간격을 두고 이루어진다. 그리고, 그 간격 중에 이미 상면에 도포된 슬러리(130)의 활물질 양을 측정하는 측정 장치(161)가 설치되어 있다. 슬릿 다이(21,23) 해드 가운데 적어도 하면에 슬러리를 도포하는 슬릿 다이(23) 해드는 슬러리 배출 압력을 조절하는 압력 조절 장치를 가진다.

측정 장치(161)에서 활물질 양에 대한 측정이 이루어지면 측정 결과 신호는 콘트롤러(25) 등을 통해 혹은 직접, 다음 공정 단계의 하면 슬릿 다이(23) 해드 내의 슬러리 도포 압력을 조절하는 압력 조절 장치(미도시)에 전달된다.

즉, 측정 장치(161)에서 측정된 활물질 양이 기준보다 적으면, 측정 장치(161)에서는 신호를 보내 하면 슬릿 다이(23) 해드 내의 슬러리 도포 압력을 크게 한다. 따라서, 슬러리 도포 두께가 증가하며 결과적으로 전극 집전체(10) 전체에 도포되는 활물질의 양이 정해진 일정 구간에 있도록 한다.

상하면에 슬러리가 도포되면 전극 집전체는 가열 및 송풍 건조 장치를 통과한다. 이 과정을 통해 용매가 제거된다. 전극 집전체는 권취기에 롤 형태로 감겨 슬릿터에 의해 분할되어 전극 조립체 형성에 사용된다.

슬러리로는 최근에 바인더로 SBR을, 분산매로 물을 사용한 것이 점차 많이 사용되고 있다. 슬릿 다이 해드는 슬러리가 공급되는 슬릿의 틈 간격을 조절할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 전극 집전체의 이동 속도도 전극 집전체의 한 끝을 당기는 권취기(150)의 모터나 중간 롤러의 모터에 의해 일정하게 조절된다. 이런 경우들에서는 슬릿의 틈 간격을 통해, 모터의 회전 속도에 의해 전극 집전체에 도포되는 슬러리의 양이 조절될 수도 있다.

도4는 본 발명의 다른 측면에 따른 실시예를 나타내는 개략적인 개념 설명도이다.

도4의 실시예에서는 일단 한 전극 집전체(10)면에 슬러리(130)가 도포된 다음 일단 도포된 슬러리(130)에 대한 건조가 이루어지고, 다시 다른 면에 대한 슬러리(140) 도포와 건조가 이어진다.

단, 한 면에 대한 슬러리(130) 도포 및 건조 후에 전극 집전체(10)에 대한 도포 두께가 측정되고 이를 슬러리(130) 내 활물질 양으로 환산하는 측정이 이루어진다. 그 측정 값에 따라 전극 집전체(10)의 다른 면에 도포될 슬러리(140)의 두께 혹은 활물질의 양이 결정된다. 그 결정 양에 따라 콘트롤러(25) 등 조절 장치를 통해 다른 면에 슬러리(140)를 도포할 슬릿 다이(23) 해드 조절이 이루어진다. 조절은 슬릿 다이 해드의 틈, 슬릿 다이 내의 슬러리 배출 압력 등을 통해 이루어질 수 있다. 여기서, 롤러(40)나 권취기(150)의 모터 회전수는 전극 집전체(10)의 각 면에 대한 도포가 하나의 라인에서 직접 연결되어 있으므로 고려되지 않으며, 슬러리의 점도는 이미 결정된 것이므로 역시 고려하지 않는다.

각 건조 장치에서는 상부 혹은 상하부에서 열풍이 공급되어 슬러리의 용매를 증발시킨다. 용매의 증발과 함께 바인더는 고화되고, 열에 의한 경화도 함께 이루어질 수 있다. 바인더의 작용으로 활물질은 전극 집전체(10)에 견고하게 부착된다. 유기 용매의 경우 이 열풍 건조 과정을 통해 휘발되어 도시된 것과 같은 용제 회수 장치를 통해 회수되고, 재사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 전극 집전체에 활물질 슬러리를 짧은 공정 시간 내에 정확한 양을 도포할 수 있게 되므로 전극판 형성 공정의 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 균질의 전극판이 형성될 수 있으므로 이 전극판이 사용되는 2차 전지의 전기 용량을 실질적으로 높이고, 불량율을 낮게 할 수 있다.

Claims (7)

1. 슬릿다이를 통해 공급되는 활물질 슬러리를 전극 집전체의 제1 면에 도포하는 단계;

   상기 제1 면에 도포된 활물질의 양을 측정하는 측정 단계;

   상기 측정 단계에서 측정된 값에 따라 제2 면에 도포될 활물질 슬러리의 양을 조절하는 단계;

   상기 제1면에 도포된 활물질 양에 따라 조절된 양의 활물질 슬러리를, 슬릿다이를 통해 상기 전극 집전체의 제2 면에 도포하는 단계; 및

   상기 제1 면 및 제2 면에 도포된 활물질 슬러리를 건조하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 활물질 도포 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 슬릿다이를 통해 공급되는 활물질 슬러리를 전극 집전체의 제1 면에 도포하는 단계;

   상기 제1면에 도포된 활물질의 두께를 측정하는 단계;

   상기 제1면에 도포된 활물질을 건조시키는 단계;

   상기 제1면에 도포된 활물질의 두께에 따라 제2면에 도포될 활물질 슬러리의 양을 조절하는 단계;

   상기 제1면에 도포된 활물질의 두께에 의해 조절된 활물질 슬러리를, 슬릿다이를 통해 상기 전극 집전체의 제2 면에 도포하는 단계; 및

   상기 제2 면에 도포된 활물질 슬러리를 건조하는 단계를 순차적으로 구비하되,

   상기 단계들은 인 라인 상에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 활물질 도포 방법.
6. 삭제
7. 삭제

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