KR101550864B1 - 이차 전지용 전극 제조 방법 및 장치 - Google Patents

이차 전지용 전극 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차 전지의 전극판 제조 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 금속 박판에 활물질을 보다 견고하게 접착시키고, 동시에 제조 비용을 절감할 수 있는 이차 전지의 전극판 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조방법은, 금속 박판의 일면에 활물질 층을 도포하는 활물질 도포단계와, 상기 활물질 층을 건조하는 건조단계를 포함한다. 건조 단계는, 상기 금속 박판을 직접 가열하여 활물질 층이 금속 박판과 접촉하는 면에서부터 활물질 층의 상부로 건조되도록 하여 기포가 활물질 층의 외부 표면으로 방출되도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 이차 전지용 전극의 금속 박판을 직접 가열하여, 금속 박판에 도포된 활물질 층이 금속 박판과 접촉하는 내부가 먼저 건조되어, 활물질 층의 외측으로 건조가 진행되도록 한다. 따라서, 활물질 층에 균일한 기포가 형성되도록 하고, 활물질 층과 금속 박판의 접착 면적이 증가하여 결합력이 우수하다. 따라서, 전극의 제조에 있어서 결합제를 적게 사용하여도 되므로, 전기 전도도가 우수한 이차 전지용 전극을 제조할 수 있게 된다.

Description

이차 전지용 전극 제조 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지용 전극 제조 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 금속 박판에 활물질 층을 견고하게 접착시키고, 동시에 제조 비용을 절감할 수 있는 이차 전지용 전극 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
이차전지는 휴대 전화, 디지털 카메라, 노트북 등의 휴대용 전자기기 및 하이브리드 차량이나 전기 자동차 등 다양한 기기에 사용되고 있다. 이차 전지에는 납축전지, 니켈-메탈하이드라이드 전지, 니켈-카드뮴 전지, 리튬이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 금속 전지 등이 있다. 이차 전지는 기본적으로 양극 전극(positive electrode), 음극 전극(negative electrode), 세퍼레이터(separator), 및 전해질(electrolyte)이라는 네 가지의 요소를 구비한다.
양극 전극과 음극 전극은 산화/환원 등 에너지의 변환과 저장이 일어나는 전극으로서, 각각 양과 음의 전위를 갖는다. 세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 위치하여 전기적인 절연을 유지하며, 전하의 이동통로를 제공한다. 전해질은 전하 전달의 매개체 역할을 한다.
또한, 각각의 전극은 금속 박판에 활물질(active material)이 도포되어 있다. 금속 박판으로는 알루미늄 또는 구리 박판이 많이 사용된다.
양극 전극에 도포되는 활물질로는 리튬코발트산화물(LixCoO2), 리튬니켈산화물(LixNiO2), 리튬니켈코발트산화물(Lix(NiCo)O2), 리튬니켈코발트망간산화물(Lix(NiCoMn)O2), 스피넬형 리튬망간산화물(LixMn2O4), 이산화망간(MnO2) 등과 같은 산화물, 또는 리튬철인산염(LixFePO4), 리튬망간인산염(LixMnPO4)등과 같은 올리빈(Olivine)형이나 NASICON형 인산염(phosphates), 규산염(silicates), 황산염(sulfates), 또는 고분자 재료 등이 사용된다.
음극 전극에 도포되는 활물질로는 고분자 재료나 탄소 재료가 사용될 수 있으며, 인조 또는 천연 흑연(graphite) 등의 흑연계, 난 흑연화성 탄소(non-graphitizable carbon, hard-carbon), 또는 이 흑연화성 탄소(graphitizable carbon, soft-carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nanofiber, CNF), 탄소나노월(carbon nanowall, CNW) 등이 사용될 수 있다.
세퍼레이터는 대체로 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 폴리올레핀(polyolefin) 계열, 폴리에스테르(polyester) 계열, 천연고분자인 펄프(pulp), 셀룰로오스(cellulose), 코르크(cork) 등의 다공성 고분자 막 또는 부직포 형태가 사용될 수 있고, 단층(single layer)막 또는 다층(multi layer)막의 구조가 사용될 수 있다. 또한, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 열가소성 폴리올레핀 고분자 다공성 다층막(Tm 100 내지 150 ℃)이나 고분자량 내지 초고분자량 열가소성 내열 폴리올레핀 고분자 다공성 막(Tm 150 내지 200℃)이 사용될 수도 있다. 전해질은 유기용매(solvent)와 염(salt)으로 구성된 액체 전해질을 사용하고, 전지의 충전 및 방전 과정에서 양극 전극과 음극 전극 사이를 움직이는 이온의 이동통로를 제공한다.
종래의 알려진 전극의 제조 공정은 일반적으로 슬러리 형태의 활물질 층을 금속 박판의 표면에 도포하는 도포공정과, 활물질이 도포된 활물질 층을 건조하는 건조공정을 포함한다.
슬러리 형태의 활물질은 전극 구성재료와 분산매로 구성되며, 전극 구성재료는 상기한 활물질, 도전재, 결합제, 기타 첨가제로 구성된다. 이 중에서 결합제(binder)는 전극 활물질, 도전재 등 전극 구성재료 간의 결착력 및 전극 구성재료와 금속 박판과의 접착력을 향상시키기 위한 재료로서, 고분자 등이 사용될 수 있고, 비닐리덴플로라이드(vinylidene fluoride) 계열, 비닐클로라이드(vinylchloride) 계열, 비닐알콜(vinylalcohol) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 에테르(ether) 계열, 아크릴로니트릴(acrylonitrile) 계열, 이미드(imide) 계열, 고무(rubber) 계열, 실록산(siloxane) 계열, 실리콘 고분자 등이 사용될 수 있다. 분산매는 결합제를 용해시키거나 분산시킬 수 있는 재료로서, 피롤리디논(pyrolidinone) 계열, 푸란(furan) 계열, 아마이드(amide) 계열, 니트릴(nitrile) 계열, 케톤(ketone) 계열, 알코올(alcohol) 계열, 물(water) 등이 사용될 수 있다.
활물질에 포함되는 결합제는 전극의 안정성, 즉 결착력 및 접착력을 위해 필요한 재료이나 전기 전도를 방해할 수 있으므로 적을수록 바람직하다. 그러나, 결합제의 함량을 줄이면 전극 구성재료 간의 결착력 및 전극 구성재료와 금속 박판과의 접착력이 저하될 우려가 있으므로 적절한 수준에서 조정하게 된다.
종래의 건조 공정에서 활물질이 도포된 금속 박판에 열풍을 가하거나 저항 발열체로 분위기를 가열하는 방식이 주로 사용되고 있다. 종래의 건조 방식은 터널과 같은 형태의 건조 챔버를 형성하고, 챔버 내부의 온도를 정해진 온도로 유지시키면서 활물질이 도포 된 금속 박판을 챔버의 내부를 연속적으로 통과하도록 되어 있다.
상기와 같은 건조 방법에서는, 높은 온도의 공기와 접촉하는 활물질 층의 외측으로부터 건조가 일어나서 금속 박판과 접촉하는 내측으로 건조가 진행하게 된다. 이때, 먼저 건조가 일어나서 고형화가 진행된 활물질 층의 외측벽을 나중에 건조가 진행되는 내부에서 발생하는 기체가 통과하여 외부로 배출되게 된다. 따라서, 고형화가 진행된 활물질 층에 국부적으로 활물질 입자의 뭉침이나 불균일한 기공이 형성된다. 이러한 활물질 입자의 뭉침이나 불균일한 기공은 구성재료 간의 결착력 및 전극 구성재료와 금속 박판과의 접착력의 저하를 가져온다.
한편, 발명의 명칭이 '전극의 제조방법'이고, 2004. 11. 18일자로 공개된 인 일본 공개특허 공보 특개2004-327203호에는 이차 전지의 전극의 활물질을 유도 가열 방법으로 건조하기 위한 기술이 공개되어 있다. 상기 특허에 공개된 기술은 금속 박판의 활물질이 도포된 부분보다 활물질이 도포되지 않은 부분의 온도가 과도하게 높아져서, 금속 박판이 변형되거나 파단되는 문제점을 해결하기 위하여, 활물질이 도포되지 않은 부분을 차폐판으로 차폐하고 활물질 도포부만을 가열하는 방법을 제공한다.
그러나, 상기 특허에 공개된 방법으로 활물질이 도포된 부분만을 가열할 경우, 금속 박판의 활물질이 도포된 부분과 활물질이 도포되지 않은 부분의 온도차이에 의하여 금속 박판이 폭방향으로 불균일하게 열팽창이 발생한다. 따라서, 일정한 장력으로 당겨서 금속 박판을 이송할 경우, 주름이 생기거나 늘어지는 부분이 생겨서 활물질의 두께가 불균일하게 된다.
본 발명은, 이차 전지용 전극의 제조 방법에 있어서 구성 재료 간의 결착력과 금속박판과의 접착력이 우수한 활물질 층을 제공할 있는 새로운 건조 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 이차 전지용 전극의 제조 장치에 있어서 구성 재료간의 결착력과 금속 박판과의 접착력이 우수한 활물질 층을 건조할 수 있는 건조장치를 구비한 이차 전지용 전극의 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 활물질이 도포된 금속 박판을 균일하게 가열하여 박판의 열변형에 의한 손상을 방지하기 위한 이차 전지용 전극의 제조 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 의한 이차 전지용 전극의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조방법은, 금속 박판의 일면에 활물질 층을 도포하는 활물질 도포단계와, 상기 활물질 층을 건조하는 건조단계를 포함한다. 건조 단계는, 상기 금속 박판을 직접 가열하여 활물질 층이 금속 박판과 접촉하는 면에서부터 활물질 층의 상부로 건조되도록 하여 기포가 활물질 층의 외부 표면으로 방출되도록 하는 것을 특징으로 한다.
활물질 층이 가열된 금속 박판과 접촉하는 내부로부터 건조되면, 발생되는 기포가 건조가 되지 않은 슬러리 상태의 상부로 용이하게 배출되어 내부에 균일한 기공이 형성되어 활물질 입자가 국부적으로 뭉치는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 종래와 같이 열풍을 이용하여 활물질 층을 외부로부터 내부로 향하여 건조되도록 할 경우, 외부가 건조되어 고형화된 활물질 층의 내부가 건조에 의하여 수축하여 불균일한 기공이 형성되고, 금속 박판과의 접착면적도 적어지게 된다. 반면에, 금속 박판을 직접 가열하여 활물질 층이 금속 박판과 접촉하는 내부가 먼저 건조되어 활물질 층의 외측으로 건조가 진행되면, 기포의 배출이 용이하고 금속 박판과의 접착 면적이 증가하여 접착력이 증대된다. 따라서, 전극의 제조에 있어서 결합제를 적게 사용하여도 되므로, 전기 전도도가 우수한 이차 전지용 전극을 제조할 수 있게 된다.
또한, 상기 건조 단계는 금속 박판을 길이방향으로 이송시키는 단계를 포함하고, 상기 금속 박판의 길이 방향의 이송 길이에 대하여 금속 박판을 쇄교하는 자속 밀도의 합이 폭 방향을 따라서 균일하게 분포하도록 배치된 유도 결합 코일로 금속 박판을 유도가열하여 활물질을 건조하는 것이 바람직하다. 또한, 금속 박판의 이송 길이에 대하여 금속 박판을 쇄교하는 자속에 의해서 유도되는 전류 밀도의 합이 폭 방향을 따라서 균일하게 분포하도록 배치된 유도 결합 코일로 금속 박판을 가열하여 건조할 수도 있다. 상기와 같이 배치된 유도 결합코일로 금속 박판을 가열하면, 폭방향으로 금속 박판을 균일하게 가열하여 금속 박판의 불균일한 열팽창을 방지하여 열팽창에 의한 손상을 방지할 수 있다.
금속 박판은 알루미늄 또는 구리로 된 박판이 사용된다. 금속 박판을 직접 가열하는 방법은, 유도 가열을 이용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 적외선 램프나 로울러 형태의 전열히터를 금속 박판에 직접 접촉시켜서 가열할 수도 있다. 특히 이차 전지용 전극의 제조 공정은 생산성이 우수한 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정이 많이 사용된다. 금속 박판을 권출기에서 연속적으로 공급하면서 표면에 슬러리 형태의 활물질을 도포하고 연속적으로 건조하고 건조된 전극을 권취기에서 감는다. 롤-투-롤 생산 공정에 있어서 유도 가열 방식으로 건조할 경우 건조 단계는 상기 금속 박판을 길이방향으로 이송시키는 단계와, 상기 금속 박판의 상부 또는 하부에 금속 박판의 폭 방향으로 가로지르도록 설치된 유도 결합 코일에 교류 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 연속적으로 이송되는 금속 박판을 단시간에 가열하기 위하여는 고주파 전압이 필요하다. 금속 박판을 가열하기 위하여 유도 결합 코일에 가해지는 교류 전압은 대략 100 KHz 내지 500 kHz 범위의 주파를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따라서 이차 전지의 전극 제조 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 이차 전지의 전극 제조 장치는, 롤 형태로 감겨진 금속 박판을 연속적으로 공급하기 위한 권출부와, 상기 권출된 금속 박판의 일면에 활물질 층을 도포하는 활물질 도포부와, 상기 금속 박판에 도포된 활물질 층을 건조하는 건조부와, 활물질 층이 건조된 금속 박판을 롤 형태로 감기 위한 권취부를 포함한다. 상기 건조부는 활물질 층이 도포된 금속 박판을 직접 가열하기 위한 유도 결합 코일을 포함한다. 유도 결합 코일은 금속 박판의 일면으로부터 일정 거리 떨어져서 금속 박판의 폭 방향으로 가로지르도록 설치되어 있다. 유도 결합 코일은 금속 박판의 상부에 설치되어 금속 박판에 유도 전류를 발생시켜서 금속 박판을 직접 가열한다. 유도 결합 코일은 한 쌍의 구리 바(copper bar)가 일정거리 이격되어 금속 박판의 폭 방향을 가로질러서 복귀하도록 설치될 수 있다. 건조부는 유도 결합 코일에 교류 전압을 인가하기 위한 전원을 포함한다. 전원으로부터 유도 결합 코일에 인가되는 교류 전압은 100 KHz 내지 500 kHz 범위의 주파를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유도 결합 코일은, 금속 박판의 폭 방향 가장자리가 국부적으로 높은 온도로 가열되는 것을 방지하게 위하여 유도 결합코일의 금속 박판의 폭 방향 양측에 설치된 코어를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 유도 결합코일은, 금속 박판의 폭 방향 가장자리가 국부적으로 높은 온도로 가열되는 것을 방지하게 위하여,금속 박판의 폭 방향의 양단 부근이 금속 박판으로부터 멀어지도록 절곡된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 몇몇 실시예에 있어서, 이차 전극 제조 장치는 복수의 유도 결합 코일을 포함할 수 있다. 복수의 유도 결합 코일은 U자로 절곡된 형상이고, 이웃하는 유도 결합 코일은 각각 U자형태 코일의 절곡된 단부가 반대 방향에 위치하도록 교대로 설치할 수 있다.
또한, 몇몇 실시예에 있어서, 상기 권출부와 활물질 도포부 사이에 금속 박판의 적어도 일면에 플라즈마 상태의 가스를 분사하여 표면처리를 하기 위한 플라즈마 처리부를 더 포함할 수 있다. 플라즈마 처리부는 금속 박판의 표면에 플라즈마 가스를 분사하여 표면을 세정하고, 표면의 성질을 친수성으로 개질시켜서, 활물질이 잘 부착되도록 한다.
본 발명에 따라서, 이차 전지용 전극의 제조 방법 및 제조 장치가 제공된다. 본 발명에 따르면, 이차 전지용 전극의 금속 박판을 직접 가열하여, 금속 박판에 도포된 활물질 층이 금속 박판과 접촉하는 내부가 먼저 건조되어, 활물질 층의 외측으로 건조가 진행되도록 한다. 따라서, 활물질 층에 균일한 기포가 형성되도록 하고, 활물질 층과 금속 박판의 접착 면적이 증가하여 결합력이 우수하다. 따라서, 전극의 제조에 있어서 결합제를 적게 사용하여도 되므로, 전기 전도도가 우수한 이차 전지용 전극을 제조할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 건조 방법은, 금속 박판을 균일한 온도로 가열하여 열변형에 의한 금속 박판의 손상을 방지한다.
또한, 본 발명에 따른 건조 장치는, 유도 가열을 이용하여 금속 박판을 직접 가열하므로, 열풍 가열을 위한 별도의 길이기 긴 건조 챔버를 필요로 하지 않아서 장치의 크기가 줄어든다. 또한, 금속 박판을 직접 가열하므로 열풍에 의하여 외부로 배출되는 에너지가 없어서, 건조를 위한 에너지 비용이 절감된다. 또한, 금속 박판을 단시간에 고온으로 가열할 수 있어서, 건조 시간을 단축하여 생산성이 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 건조 장치는, 금속 박판을 균일한 온도로 가열하여 열변형에 의한 금속 박판의 손상을 방지한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극의 제조 방법 및 장치에서 활물질 층이 건조되는 상태를 설명하기 위한 개략도
도 2는 본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조 장치의 개략도
도 3은 박판 전극의 상부에 설치된 유도 결합 코일의 일실시예를 나타내는 개략도
도 4는 박판 전극의 상부에 설치된 유도 결합코일의 다른 실시예를 나타내는 개략도
도 5는 도 3에 도시된 실시예의 유도 결합코일의 배치 상태를 나타내는 개략 설명도
도 6은 도 3에 도시된 실시예의 유도 결합 코일에 의하여 가열된 금속 박판의 온도 분포를 나타내는 설명도
도 7은 도 4에 도시된 실시예의 유도 결합 코일에 의해서 가열된 금속 박판의 온도 분포를 나타내는 설명도
도 8은 본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조 장치의 다른 실시예의 개략도
도 9는 도 8의 장치의 건조부의 평면 개략도
도 10은 도 9에서 양단이 절곡되지 않은 유도 결합 코일에 의하여 가열된 금속 박판의 A-A 내지 E-E 단면의 폭방향 온도 분포를 나타내는 설명도
도 11은 도 9에서 양단이 절곡된 유도 결합 코일에 의하여 가열된 금속 박판의 A-A 내지 E-E 단면의 폭방향 온도 분포를 나타내는 설명도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 전극을 제조하기 위하여, 먼저 금속 박판(160)의 일면에 활물질 층(165)을 도포한다(도 1a). 금속 박판(160)은 구리 또는 알루미늄을 사용한다. 활물질은 양극 전극용과 음극 전극용이 있다. 본 발명의 제조 방법은 양극 전극 및 음극 전극의 제조 모두에 적용된다. 활물질의 도포 방법으로는, 슬릿다이(slit-die) 방식, 그라비아(gravure) 방식, 닥터 블레이드(doctor blade)방식, 실크스크린(silk screen) 방식, 옵셋(offset) 방식, 스프레이(spray) 방식, 딥(dip) 방식 등이 이용될 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 백업 로울러(110)로 금속 박판(60)을 지지하면서 활물질 공급노즐(120)로 도포할 수도 있다.
다음으로, 금속 박판(160)에 에너지를 공급하여 금속 박판을 직접 가열한다(도 1b). 금속 박판(160)을 직접 가열하는 방법으로는 유도 가열이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니고 적외선 램프 등을 이용하여 금속 박판을 직접 가열할 수도 있다. 유도 가열을 할 경우에는, 활물질 층의 상부 또는 하부에 유도 결합코일을 설치하여 가열할 수 있고, 적외선 램프를 사용하여 가열할 경우에는 활물질이 도포되지 않은 금속 박판의 하부면을 가열하도록 금속 박판의 하부에 설치하는 것이 바람직하다.
다음으로, 금속 박판이 가열되면, 금속 박판과 접촉하는 활물질 층의 내부(165a)로부터 건조가 진행됨에 따라서, 내부(165a)에서 발생한 기포가 아직 건조되지 않은 슬러리 상태의 외부층(165b)을 통과하여 대기로 방출된다(도 1c). 건조가 슬러리 상태의 활물질 층(165)의 내부로부터 외측으로 진행됨에 따라서(도 1d), 활물질 층의 내부에는 기포가 균일하게 형성되고, 금속 박판(160)과 활물질 층(165)의 접착면적이 증가하여 접착력이 증가한다. 이는 본 발명에 의한 제조 방법이 활물질의 외부가 건조되고 나중에 내부가 건조될 경우 활물질이 건조되어 고형화되면서 일어나는 수축에 의하여 불균일한 공극과 활물질의 뭉침 현상이 발생하는 것을 방지하기 때문이다. 또한, 활물질 층(160) 내부의 균일한 기포로 인하여 활물질 층(165) 구성 재료 간의 결착력이 증대된다. 따라서, 전극의 제조에 있어서 결합제를 적게 사용하여도 되므로, 전기 전도도가 우수한 이차 전지용 전극을 제조할 수 있게 된다.
도 2를 참조하면, 이차 전지용 전극의 제조장치는, 롤 형태로 감겨진 금속 박판(160)을 연속적으로 공급하기 위한 권출부(100)와, 상기 권출된 금속 박판(160)의 일면에 활물질 층(165)을 도포하는 활물질 도포부(120)와, 상기 금속 박판에 도포된 활물질 층을 건조하는 건조부(130)와, 활물질 층이 건조된 금속 박판을 롤 형태로 감는 권취부(140)를 포함한다. 활물질 도포부(120)는 금속 박판(160)의 폭방향으로 슬릿이 형성되어 있고, 슬릿으로 일정한 두께의 활물질을 금속 박판의 일면에 도포한다. 백업 로우러(110)는 금속 박판(160)을 지지하여 활물질이 안정적으로 도포되도록 한다. 로울러들(151-156)은 금속 박판(160)의 이송을 안내하기 위한 아이들 로울러들이다.
활물질 층(165)이 형성된 금속 박판(160)은 건조부(130)로 연속적으로 공급된다. 건조부(130)에는 유도결합코일(131)이 금속 박판(160)의 상부에 일정한 간격을 두고서 설치되어 있다. 유도 결합 코일(131)은 금속 박판의 상부에 일정한 간격으로 설치된 한 쌍의 도체(구리) 바(131)를 포함한다. 도시하지는 않았으나, 유도 결합 코일(131)에 의하여 발생하는 자속을 집속하기 위하여 유도 결합 코일(131)에 자기 코어를 추가로 설치할 수 있다. 또한, 유도 결합 코일(131)의 각각의 도체 바의 양단에는 각각 자성체 코어(132a-d)가 설치되어 있다. 자성체 코어(132a-d)는 유도 가열 코일에 유기되는 자기장의 경로를 조정하여, 금속 박판의 폭 방향의 가장자리가 과도하게 가열되는 것을 조정하기 위한 것이다.
도 3을 참조하면, 유도 결합 코일(131)에는 교류 전원(135)이 연결되어 있다. 교류 전원(135)는 고주파 전압, 대략 300 kHz 내지 500 kHz 범위의 고주파 전압을 유도 가열 코일(131)에 인가한다. 유도 가열 코일(131)에 교류 전압이 인가되면 전자기 유도 현상으로 박판에 기전력이 유기되고, 기전력에 의하여 생성되는 유도 전류에 의하여 금속 박판(160)이 가열된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예의 유도 결합 코일(131)은 금속 박판(160)의 폭 방향 양측 가장자리가 금속 박판(160)으로부터 멀어지도록 절곡되어 있다. 이 것은 금속 박판(160)의 폭 방향 가장자리가 유도 가열에 의하여 급격하게 온도가 높아지는 것을 조절하기 위한 것이다. 금속 박판이 폭방향으로 균일한 온도 분포를 갖도록 가열하기 위하여, 금속 박판(160)의 폭(w1)에 대한 유도 결합 코일(131)의 절곡되지 않은 평탄부(w2)의 길이와, 금속 박판(160)과 유도결합코일(131) 사이의 간격(t)과, 금속 박판(160)의 가장자리에서의 절곡 각도(θ1, θ2)는 금속 박판(160)의 재질, 이송 속도 및 두께와, 활물질의 성분 및 활물질 층의 도포 두께, 유도 결합 코일(131)의 형상과 배치 등에 따라서 정해지는 값이다.
도 6은 도 3에 도시된 실시예의 양단이 절곡되지 않은 유도 결합 코일(131)에 의하여 가열된 금속 박판(160)의 폭 방향의 온도 분포를 나타낸다. 금속 박판(160)의 폭 방향의 양단부가 과도하게 가열된 것을 알 수 있다.
도 7은 도 4에 도시된 실시예의 양단이 절곡된 유도 결합 코일(131)에 의하여 가열된 금속 박판(160)의 폭 방향의 온도 분포를 나타낸다. 유도 결합코일(131)이 절곡된 양단부의 온도가 평탄부(w2)의 온도 보다 낮아지도록 가열된 것을 알 수 있다. 평탄부(w2)의 폭과 절곡 각도(θ1, θ2) 및 간격(t)을 적당히 조절하여 금속 박판(160)의 가장 자리에서의 온도를 평탄부의 온도에 근접하도록 하여 금속 박판의 폭 방향으로 균일한 온도분포를 갖도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조 장치의 다른 실시예의 개략도이다. 본 실시예의 전극 제조 장치는, 롤 형태로 감겨진 금속 박판(260)을 연속적으로 공급하기 위한 권출부(210)와, 금속 박판(260)의 표면에 플라즈마 가스를 분사하여 표면처리하기 위한 플라즈마 처리부(217)와, 권출된 금속 박판(260)의 일면에 활물질 층(265)을 도포하는 활물질 도포부(220)와, 금속 박판에 도포된 활물질 층을 건조하는 건조부(230)와, 활물질 층이 건조된 금속 박판을 롤 형태로 감는 권취부(216)를 포함한다. 로울러들(211-215)은 금속 박판(160)의 이송을 안내하기 위한 아이들 로울러들이다.
도 9는 도 8의 장치의 건조부의 평면 개략도 이다. 본 실시예에 있어서, 활물질이 도포된 금속 박판(260)은 우측으로 이송되고, 금속 박판(260)의 중앙부에는 활물질(265)이 도포되어 있고, 금속 박판(260)의 가장자리에는 활물질이 도포되어 있지 않다. 또한, U자 형상의 한 쌍의 유도 결합 코일(231,232)이 금속 박판의 폭방향을 가로질러서 절곡된 부분이 반대 방향에 위치하도록 교대로 배치되어 있다. 또한, U자 형상의 유도 결합 코일(233)이 금속 박판(260)의 이송 방향을 따라서 중앙부에 배치되어 있다. 도면 부호 235, 236, 237은 각각의 유도 결합 코일의 전원을 나타낸다. 한 쌍의 유도 결합 코일(231, 232)은 금속 박판의 폭 방향의 가장자리 부근에서 상부로 절곡 되거나 절곡되지 않은 것을 사용할 수 있다.
도 10은 도 8에서 양단이 절곡되지 않은 유도 결합 코일에 의하여 가열된 금속 박판의 A-A 내지 E-E 단면의 폭방향 온도 분포를 나타내는 설명도이다. U 자 형상으로 유도 결합 코일로 박판을 가열할 경우, U 자 형상의 개방측 단부에 대응하는 금속 박판의 부분 보다 절곡된(폐쇄측) 단부에 대응하는 금속 박판의 부분이 보다 많이 가열되어 온도가 높게 된다. 즉 금속 박판이 정지되어 있는 것으로 가정할 경우, 도 9의 A-A 단면에서 금속 박판의 폭 방향의 온도 분포는 대응하는 도 10(a)의 온도 분포 그래프와 같이, U-자 형상의 개방부(도 9의 상부는 도 10(a) 그래프의 우측에 대응)보다 절곡된 단부측이 많이 가열되어 온도가 높게 된다. 또한, 도 9의 B-B 단면에서 금속 박판의 폭 방향의 온도 분포는 대응하는 도 10(b)의 온도 분포 그래프와 같이 U-자 형상의 개방부(도 9의 하부)보다 절곡된 단부측(도 9의 상부)이 많이 가열되어 온도가 높게 된다. 또한, 도 9의 C-C 단면에서, 유도 결합 코일(233)이 금속 박판의 이송방향을 따라서 배치되어 있기 때문에, 금속 박판의 중앙부에서 많이 가열되고 가장자리에서 적개 가열되어 도 10(c)에 도시된 것과 같은 온도 분포를 갖게 된다.
도 9에 도시된 것과 같이 유도 가열코일이 배치된 경우, 금속 박판이 화살표 방향으로 이송될 때, D-D 단면에서 금속 박판의 온도 분포는 도 10(a)와 도 10(b)의 온도 분포가 중첩된 도 10(d)와 같은 온도 분포를 보이게 된다. 또한, 금속 박판의 E-E 단면에서의 온도 분포는, 도 10(d)와 도 10(c)의 온도 분포가 중첩된 도 10(e)와 같은 온도 분포를 보이게 된다. 즉, 본 발명에 따라서 복수의 유도 결합코일을 금속 박판의 길이 방향의 이송 길이에 대하여 금속 박판을 쇄교하는 자속 밀도의 합이 폭 방향을 따라서 균일하게 분포하도록 배치하여, 금속 박판을 균일하게 가열되도록 하여 불균일한 열팽창에 의한 손상을 방지할 수 있다. 또한, 금속 박판의 이송 길이에 대하여 금속 박판을 쇄교하는 자속에 의해서 유도되는 전류 밀도의 합이 폭 방향을 따라서 균일하게 분포하도록 유도 결합 코일을 배치할 수 있다.
도 9에서, U자 형상의 유도 결합 코일(231, 232)의 양단을 도 4에 도시된 것과 같이 절곡할 경우, 각각의 단면 A-A 내지 단면 E-E 에 대응하는 금속 박판의 온도 분포는 도 11에 도시된 것과 같다. 즉, U 자 형상의 유도 결합 코일(231, 232)의 양단을 절곡할 경우 도 11(e)에 도시된 것과 같이, U 자 형상의 유도 결합 코일(231, 232)의 양단을 절곡하지 않은 경우의 온도 분포(도 10(e))보다 균일한 폭방향의 온도 분포를 얻을 수 있다.
100 권출부
110 백업 로우러
120 활물질 도포부
130 건조부
131 유도 결합 코일
140 권취부
160 금속 박판
165 활물질 층
231, 231, 233 유도 결합 코일

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 금속 박판의 일면에 활물질 층을 도포하는 활물질 도포단계와, 상기 활물질 층을 건조하는 건조단계를 포함하는 이차 전지용 전극의 제조방법에 있어서,
    상기 건조 단계는,
    금속 박판을 길이방향으로 이송시키는 단계와,
    상기 금속 박판의 이송길이에 대하여 금속 박판을 쇄교하는 자속 밀도의 합이 폭 방향을 따라서 균일하게 분포하도록 배치된 유도 결합 코일로 금속 박판을 유도가열하는 단계를 포함하고,
    상기 유도 결합 코일은 복수이고, 각각 U자 형상으로 절곡되어 있고,
    상기 금속 박판의 일면 상부에 금속 박판의 폭 방향으로 가로지르도록 설치되어 있고, 이웃하는 유도 결합 코일은 각각 U자형태 코일의 절곡측 단부가 반대 방향에 위치하도록 교대로 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 각각의 유도 결합 코일은 금속 박판의 폭 방향의 양단부 부근의 단부가 금속 박판으로 부터 멀어지도록 절곡된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    활물질을 도포하기 전에, 금속박판의 표면을 플라즈마 표면 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조방법.
  5. 롤 형태로 감겨진 금속 박판을 연속적으로 공급하기 위한 권출부와, 상기 권출된 금속 박판의 일면에 활물질 층을 도포하는 활물질 도포부와, 상기 금속 박판에 도포된 활물질 층을 건조하는 건조부와, 활물질 층이 건조된 금속 박판을 롤 형태로 감기 위한 권취부를 포함하는 이차전지의 전극 제조장치에 있어서,
    상기 건조부는,
    금속 박판의 일면으로부터 일정 거리 떨어져서 금속 박판의 폭 방향으로 가로지르도록 설치된 유도 결합 코일과,
    상기 유도 결합 코일에 교류 전압을 인가하기 위한 전원을 포함하고,
    상기 유도 결합코일은, 금속 박판의 폭 방향의 양단 부근이 금속 박판으로부터 멀어지도록 절곡 된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유도 결합코일의 금속 박판의 폭 방향 양측에 설치된 코어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 제조 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 권출부와 활물질 도포부 사이에 금속 박판의 적어도 일면에 플라즈마 상태의 가스를 분사하여 표면처리를 하기 위한 플라즈마 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 제조 장치.
  8. 삭제
  9. 롤 형태로 감겨진 금속 박판을 연속적으로 공급하기 위한 권출부와, 상기 권출된 금속 박판의 일면에 활물질 층을 도포하는 활물질 도포부와, 상기 금속 박판에 도포된 활물질 층을 건조하는 건조부와, 활물질 층이 건조된 금속 박판을 롤 형태로 감기 위한 권취부를 포함하는 이차전지의 전극 제조장치에 있어서,
    상기 건조부는,
    금속 박판의 일면으로부터 일정 거리 떨어져서 금속 박판의 폭 방향으로 가로지르도록 설치된 복수의 유도 결합 코일과,
    상기 유도 결합 코일에 교류 전압을 인가하기 위한 전원을 포함하고,
    상기 복수의 유도 결합코일은, 길이 방향으로 이송되는 금속박판의 이송 길이에 대하여 상기 금속 박판을 쇄교하는 자속 밀도의 합이 폭 방향을 따라서 균일하게 분포하도록 배치되어 있고,
    상기 복수의 유도 결합 코일 중 적어도 하나는, 금속 박판의 폭 방향의 양단 부근이 금속 박판으로부터 멀어지도록 절곡 된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 박판의 이송 방향을 따라서 가열하도록 배치된 유도 결합 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 제조 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 권출부와 활물질 도포부 사이에 금속 박판의 적어도 일면에 플라즈마 상태의 가스를 분사하여 표면처리를 하기 위한 플라즈마 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 제조 장치.
  12. 롤 형태로 감겨진 금속 박판을 연속적으로 공급하기 위한 권출부와, 상기 권출된 금속 박판의 일면에 활물질 층을 도포하는 활물질 도포부와, 상기 금속 박판에 도포된 활물질 층을 건조하는 건조부와, 활물질 층이 건조된 금속 박판을 롤 형태로 감기 위한 권취부를 포함하는 이차전지의 전극 제조장치에 있어서,
    상기 건조부는,
    금속 박판의 일면으로부터 일정 거리 떨어져서 금속 박판의 폭 방향으로 가로지르도록 설치된 복수의 유도 결합 코일과,
    상기 유도 결합 코일에 교류 전압을 인가하기 위한 전원을 포함하고,
    상기 복수의 유도 결합코일은 U자로 절곡된 형상이고, 이웃하는 유도 결합 코일은 각각 U자형태 코일의 절곡된 단부가 반대 방향에 위치하도록 교대로 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 권출부와 활물질 도포부 사이에 금속 박판의 적어도 일면에 플라즈마 상태의 가스를 분사하여 표면처리를 하기 위한 플라즈마 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 전극 제조 장치.
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