KR101641095B1 - 이차전지용 활물질 코팅장치 - Google Patents

이차전지용 활물질 코팅장치 Download PDF

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김한준
이대락
이석희
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Abstract

본 발명의 이차전지용 활물질 코팅장치는, 이차전지의 전극 기재에 활물질을 코팅하기 위한 이차전지용 활물질 코팅장치로서, 이차전지용 활물질이 포함된 슬러리가 저장된 슬러리 저장탱크와, 상기 슬러리 저장탱크에서 이송된 슬러리를 전극 기재에 코팅하는 슬러리 토출부와, 상기 슬러리 토출부와 소정의 간격으로 이격되어 설치되고 상기 전극 기재를 이송시키는 코팅 롤과, 상기 슬러리 저장탱크로부터 슬러리 토출부로 슬러리를 이송시키기 위한 펌프와, 상기 펌프와 상기 슬러리 토출부 사이에 설치되어 슬러리의 토출을 조절하는 밸브와, 상기 밸브를 전기적으로 제어하기 위한 밸브 제어부을 포함하고, 상기 슬러리 토출부는 복수개의 토출 노즐로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지용 활물질 코팅장치{Coating apparatus for secondary cell}
본 발명은 이차전지용 활물질 코팅장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차전지의 전극을 구성하는 전극 기재 표면에 활물질을 코팅하는 장치에 관한 것이다.
이차전지는 양극, 음극 활물질을 금속박(Al or Cu foil)에 도포하고 분리막을 양 전극사이에 넣고 감아서, 금속 용기에 삽입하고, 전해액을 충진하고 밀봉하여 완성된다. 이차전지를 제조하기 위한 공정 중 이차전지 전극 제조공정은 활물질, 도전재, 결착재 및 용제 등으로 구성된 슬러리를 혼합하여 금속 집전체 표면에 도포하고 건조하는 활물질 코팅공정, 코팅이 끝난 극판에 대해 활물질의 용량 밀도를 높이고 기재와 활물질 간의 결착력을 높이는 압연 공정, 제조하려는 전지 크기에 맞게 전극을 절단하여 리-와인더(re-winder)에 감는 슬리팅 공정, 및 리-와인딩(re-winding)된 전극을 풀면서 실제 사용될 전극 형상으로 전극을 타발하여 적재시키는 노칭(notching)과 펀칭(punching) 공정으로 이루어진다.
이차 전지 전극 코팅 공정은 양극활물질로 리튬금속산화물 LiMeO2(Me=Co, Ni, Mn), LiMn2O4, LiFePO4 등이 사용되고 음극활물질로는 Li-ion을 흡장/탈리 가능한 탄소계 재료로 피치계 탄소, 기상성장 탄소체, 탄소섬유, 천연흑연, 인조흑연 등이 사용된다. 전극 코팅 패턴으로는 연속코팅, 간헐 코팅, 스트라이프 코팅 등이 이용된다.
이차전지의 전극에는 탭이 연결되는데, 탭은 활물질이 도포되지 않고 전극 기재가 노출되는 무지부에 연결된다. 전극에 탭을 연결하는 것에 관한 선행문헌으로는 한국공개특허 제2000-0051740호가 있다. 상기 선행문헌은 베이스 플레이트의 양면에 활물질을 도포하고, 활물질이 도포되지 않은 무지부에 연결된 탭을 이용하여 캔 혹은 캡 어셈블리와 전기적으로 연결하는 이차전지의 전극으로서, 상기 무지부에 부착되는 탭의 높이를 무지부 전체 높이의
Figure 112016017388154-pat00001
이 되게 하고, 무지부에 부착되는 너비를 전극 롤 권취시의 편평한 너비의
Figure 112016017388154-pat00002
이 되게 한 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극에 관하여 개시하고 있다. 그러나 상기 선행문헌에 개시된 전극은 탭이 연결되는 영역 이외의 영역에도 넓게 무지부가 형성되어서 전체적인 전지의 용량이 감소되는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 활물질이 도포되지 않은 무지부 영역을 감소시킬 수 있는 이차전지용 활물질 코팅장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 이차전지의 전극 기재에 활물질을 코팅하기 위한 이차전지용 활물질 코팅장치로서, 이차전지용 활물질이 포함된 슬러리가 저장된 슬러리 저장탱크와, 상기 슬러리 저장탱크에서 이송된 슬러리를 전극 기재에 코팅하는 슬러리 토출부와, 상기 슬러리 토출부와 소정의 간격으로 이격되어 설치되고 상기 전극 기재를 이송시키는 코팅 롤과, 상기 슬러리 저장탱크로부터 슬러리 토출부로 슬러리를 이송시키기 위한 펌프와, 상기 펌프와 상기 슬러리 토출부 사이에 설치되어 슬러리의 토출을 조절하는 밸브와, 상기 밸브를 전기적으로 제어하기 위한 밸브 제어부을 포함하고, 상기 슬러리 토출부는 복수개의 토출 노즐로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 활물질 코팅장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 슬러리 토출부는 연속 다열 코팅을 위한 제1단 토출 노즐과 간헐 코팅을 위한 제2단 토출 노즐을 포함하고, 상기 밸브와 밸브 제어부는 상기 제1단 토출 노즐과 제2단 토출 노즐을 별도로 제어하도록 구분되어 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 제1단 토출 노즐과 상기 제2단 토출 노즐은 코팅영역이 중첩되지 않도록 구성되고, 상기 제1단 토출 노즐에 의한 코팅부와 상기 제2단 토출 노즐에 의한 코팅부 사이에 형성된 틈을 메우기 위한 기체 분사부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 기체 분사부는 서로 반대 방향으로 기체를 분사하는 한쌍의 기체 분사노즐로 이루어질 수 있다.
본 발명의 이차전지용 활물질 코팅장치와 이에 의하여 제조된 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름은 아래의 효과를 가진다.
1. 이차전지용 활물질 코팅장치의 슬러리 토출부는 복수개의 슬러리 토출 노즐을 포함하고, 개개의 슬러리 토출 노즐은 별도로 제어되는 밸브에 의하여 슬러리 토출이 제어되므로, 코팅과정에서 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름에 탭 형성을 위한 무지부를 형성할 수 있다.
2. 복수개의 슬러리 토출 노즐은 코팅 영역이 중첩되지 않는 연속 다열 코팅을 위한 제1단 토출 노즐과 간헐 코팅을 위한 제2단 토출 노즐로 이루어지고, 상기 각각의 코팅 영역 사이에 형성된 틈을 기체 분사부로 메울 수 있으므로, 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름에 폐쇄된 형상의 무지부를 형성할 수 있다.
3. 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅방법은 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름에 폐쇄된 형상의 무지부를 형성할 수 있으므로, 분할된 전극의 무지부가 면적이 최소화될 수 있고, 결과적으로 전지의 용량을 증가시킬 수 있다.
4. 무지부가 전극 기재의 길이 방향 및 폭 방향으로 모두 단절된 형상을 가지므로, 이후의 전극 프레스 공정에서 코팅부와 무지부의 장력 차이를 감소시킬 수 있어서 장력 차이에 의하여 코팅 필름에 주름이 생성되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
5. 2단으로 형성된 노즐을 가지는 슬롯 다이를 이용하여 연속 다열 코팅 및 간헐 코팅을 동시에 구현할 수 있으므로 폐쇄된 형상의 무지부 형성이 가능하다.
6. 건조되기 전의 코팅물질에 기체를 분사하는 방식으로 패턴 사이의 공간을 메워 균일한 두께의 코팅이 이루어질 수 있게 한다.
7. 폐쇄된 형상의 무지부를 가지는 활물질 코팅 필름은 절단 형상에 따라 탭 형성을 위한 무지부 위치를 다양하게 변화시킬 수 있다.
8. 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅방법을 이용하면 전극 활물질의 코팅과정에서 탭을 형성할 수 있는 무지부를 형성할 수 있으므로, 탭 형성 공정이 간소화되고 제조비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래의 이차전지용 슬러리 코팅장치를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 이차전지용 활물질 코팅 필름을 도시한 것이다.
도 3은 종래의 이차전지용 전극에 탭을 연결하는 구조를 도시한 것이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치에 이용되는 토출 노즐을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치의 고속밸브 장치 부분을 확대한 도면이다.
도 9는 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치를 제어하는 제어 계통도이다.
도 10과 도 11은 기체 분사 노즐을 이용하여 코팅 패턴 사이의 빈 틈을 메우는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 기체 분사 전과 후의 코팅 패턴을 비교하여 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름의 절단 형상 및 이에 따른 전극의 활물질 코팅 형상을 도시한 것이다.
도 14는 장력 차이에 의하여 무지부에 가까운 코팅 영역에 주름이 발생한 사진이다.
도 15는 종래의 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름과 본 발명의 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름에서의 장력 차이 발생을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이차전지용 활물질 코팅장치는, 이차전지의 전극 기재에 활물질을 코팅하기 위한 이차전지용 활물질 코팅장치로서, 이차전지용 활물질이 포함된 슬러리가 저장된 슬러리 저장탱크와, 상기 슬러리 저장탱크에서 이송된 슬러리를 전극 기재에 코팅하는 슬러리 토출부와, 상기 슬러리 토출부와 소정의 간격으로 이격되어 설치되고 상기 전극 기재를 이송시키는 코팅 롤과, 상기 슬러리 저장탱크로부터 슬러리 토출부로 슬러리를 이송시키기 위한 펌프와, 상기 펌프와 상기 슬러리 토출부 사이에 설치되어 슬러리의 토출을 조절하는 밸브와, 상기 밸브를 전기적으로 제어하기 위한 밸브 제어부을 포함하고, 상기 슬러리 토출부는 복수개의 토출 노즐로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 이차전지용 슬러리 코팅장치를 도시한 것이다. 도 1의 (가)를 참조하면, 이차 전지용 슬러리 코팅장치는 슬러리 저장탱크(101), 펌프(102), 밸브(103), 슬러리 토출부(104), 코팅 롤(110), 언-와인더(120) 및 리-와인더(130)을 포함한다. 슬러리 저장탱크(101)는 활물질을 포함하는 코팅액이 저장되는 부분이고, 펌프(102)는 저장탱크에 저장된 코팅액을 슬러리 토출부 방향으로 이송시키는 기능을 한다. 밸브(103)는 슬러리 토출부(104) 슬러리가 토출되는 것을 제어하는 기능을 한다. 전극 기재(200)는 활물질이 코팅되는 전극의 일 구성으로서, 금속 필름 형태로 언-와인더에서 풀려서 코팅 롤(110)로 공급되는 코팅이 이루어진 전극 기재는 리-와인더(130)로 권취된다. 도 1의 (나)를 참조하면, 슬러리 토출부(104)는 전극 기재 방향으로 슬러리가 토출되는 토출 노즐(104b)이 형성되어 있고, 내부에는 토출액 임시 저장부(104a)가 형성되어 있으며, 밸브(103)를 통하여 슬러리가 공급된다.
도 2는 종래의 이차전지용 활물질 코팅 필름을 도시한 것이다. 도 2의 (가)를 참조하면, 전극 기재(200)는 가로 방향으로 이송되면서 활물질이 코팅되는데, 활물질이 코팅된 영역이 코팅부(220a)가 되고, 활물질이 코팅되지 않은 영역은 무지부(210)가 되며, 코팅부는 전극 기재의 이송방향으로의 간헐적 코팅에 의하여 형성되며, 무지부는 폭 방향으로는 코팅부의 경계와 만나지 않는 열린 도형의 형상을 가진다. 도 2의 (나)를 참조하면, 전극 기재(200)는 가로 방향으로 이송되면서 활물질이 코팅되는데, 활물질이 코팅된 영역인 코팅부(220a, 220b, 220c)는 연속 스트라이프 패턴으로 형성되며, 코팅부 사이에 전극 기재의 길이 방향으로 무지부(210)가 형성되며, 무지부는 길이 방향으로 코팅부의 경계와 만나지 않는 열린 도형의 형상을 가진다.
이차전지의 제조공정에서는 공정 비용을 감소시키기 위하여 대면적의 전극 기재에 활물질을 연속적으로 코팅하고, 이를 개개의 전지 크기에 맞게 절단하게 된다. 전극 기재에 활물질이 코팅된 필름을 개개의 전지에 적용된 극판과 구분하기 위하여 본 명세서에서는 절단 전의 활물질 코팅 필름을 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름이라고 부른다.
도 3은 종래의 이차전지용 전극에 탭을 연결하는 구조를 도시한 것이다. 도 3의 (가)는 도 2의 (가)에 표시된 점선을 따라 절단된 전극판을 나타낸 것인데, 코팅부(220) 왼쪽에 무지부(210)가 연속적으로 형성되며, 무지부(210)의 일측에 전극 연결부인 탭이 연결된다. 도 3의 (나)는 도 2의 (나)에 표시된 점선을 따라 절단된 전극판을 나타낸 것인데, 코팅부(220)의 위쪽으로 무지부(210)가 연속적으로 형성되며, 무지부(210)의 일측에 전극 연결부인 탭이 연결된다. 이와 같은 종래의 이차전지용 전극은 탭을 연결하기 위한 무지부가 일측에 연속적으로 형성되므로 실제로 탭 연결을 위한 면적 이외의 부분에 활물질이 코팅될 수 없고, 결과적으로 전지 용량의 감소하는 문제점을 가지고 있다.
도 4와 도 5는 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 슬러리 토출부에서 슬러리가 토출되면서 전극 기재에 코팅이 이루어지는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 전극 기재(300)는 코팅 롤(420)의 표면을 따라 이송되고, 코팅 롤(420)과 인접한 영역에 설치된 슬러리 토출부(400)에서 슬러리가 토출되면서 전극 기재(300) 위에 활물질이 코팅된다. 도 4는 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅방법을 설명하기 위하여 도식적으로 나타낸 그림으로서, 전극 기재(300), 슬러리 토출부(400) 및 코팅 롤(420)의 상대적인 위치가 왜곡되어 표시되어 있다. 실제로는 전극 기재(300)가 슬러리 토출부(400) 및 코팅 롤(420) 사이에 삽입되고, 슬러리 토출부(400)의 노즐은 전극 기재(300)를 향하여 설치된다. 슬러리 토출부(400)에는 2단의 토출 노즐이 형성되어 있는데, 상부에는 제1단 토출 노즐(411a, 411b, 411c)이 소정의 간격으로 이격되어 형성되어 있고, 하부에는 제2단 토출 노즐(412a, 412b)이 소정의 간격으로 이격되어 설치된다. 이때, 제1단 토출 노즐과 제2단 토출 노즐 사이에는 분리막이 설치되고, 제1단 토출 노즐과 제2단 토출 노즐에는 각각 독립적으로 슬러리의 흐름이 제어된 슬러리가 공급되어 토출된다. 제1단 토출 노즐(411a, 411b, 411c)에서는 슬러리가 연속적으로 공급되면서 연속적인 스트라이프 형태의 제1단 코팅부(310a, 310b, 310c)가 전극 기재 위에 형성되고, 제2단 토출 노즐(412a, 412b)에서는 슬러리의 공급이 중간 중간 끊기면서 간헐적 코팅에 의한 제2단 코팅부(320a, 320b)가 형성된다.
도 5는 제1코팅부와 제2코팅부를 분리하여 도시한 것인데, 도 5의 (가)에서는 제1단 코팅부(310a, 310b, 310c)가 형성된 것을 나타낸 것이고, (나)는 제2단 코팅부(320a, 320b)가 형성된 것을 나타낸 것이고, (다)는 제1단 코팅부와 제2단 코팅부를 동시에 나타낸 것이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 (가)와 (나)를 구분하여 나타내었지만, 실제로는 제1단 코팅부와 제2단 코팅부가 동시에 형성되므로 (다)와 같은 형상의 코팅부가 형성된다. 따라서, (가)와 (나)의 도면은 순서가 바뀌어도 동일한 공정에 관한 설명이 이루어질 수 있다. 도 5의 (다)를 참조하면, 코팅이 이루어진 직후에는 전극 기재 위에 제1단 코팅부와 제2단 코팅부가 폭 방향으로 이격되어 형성되지만, 도 8에서 설명할 기체 분사부에 의하여 이격된 틈이 제거되면 활물질 패턴 사이에 폐쇄된 형상의 무지부가 형성된다.
도 6은 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치에 이용되는 토출 노즐을 도시한 것이다. 도 6의 (가)는 토출 노즐이 정면을 바라보는 방향에서 도시한 것이고, (나)는 폭 방향의 단면을 나타낸 것이다. 슬러리 토출부(400)에는 제1단 토출 노즐(411a, 411b, 411c)과 제2단 토출 노즐(412a, 412b)이 위 아래로 형성되어 있다. 제1단 토출 노즐과 제2단 토출 노즐은 서로 중첩되지 않도록 형성되어 있는데, 이는 전극 기재에 중복되어 슬러리가 토출되면 일부 영역의 코팅부 두께가 두꺼워지기 때문이다. 제1단 토출 노즐(411a 11b, 411c)과 제2단 토출 노즐(412a, 412b)에는 별도의 슬러리가 독립적으로 제어되어 공급되고, 슬러리 토출부의 내부에는 제1단 토출 노즐과 제2단 토출 노즐에 각각 연결되는 토출액 임시 저장부(412c, 411d)가 형성되어 있다.
도 7은 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치의 구성을 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 슬러리 코팅장치(500)는 슬러리 저장탱크(511, 521), 펌프(512, 522), 밸브(514, 515, 523, 524, 525), 압력계(516, 517, 526, 527) 및 슬러리 토출부(530)를 포함한다. 슬러리 토출부(530)에는 각각 독립적으로 제어되는 슬러리가 공급되는데, 그 중 하나의 슬러리는 제1슬러리 저장탱크(511), 제1펌프(512), 제1밸브(513) 및 제2밸브(514)를 통하여 공급되고, 다른 하나의 슬러리는 제2슬러리 저장탱크(521), 제2펌프(522), 제4밸브(523) 및 제5밸브(524)를 통하여 공급된다. 제1밸브(513)와 제2밸브(514)의 조합 및 제4밸브(523)와 제5밸브(524)의 조합은 간헐적 코팅을 위하여 슬러리 공급을 제어하기 위한 구성으로서, 제1단 토출 노즐에서 간헐적 코팅이 아닌 연속적인 코팅이 이루어지는 경우에는 제1밸브 또는 제4밸브의 생략이 가능하다.
제1밸브(513)와 제2밸브(514)의 조합으로 간헐적 코팅을 하는 과정을 설명하면, 펌프(512)에 의하여 슬러리 저장탱크(511)에 저장된 슬러리가 L1 라인을 따라 이송된다. L1 라인을 따라 제1밸브(513)로 유입된 슬러리는 L3 라인을 따라 제2밸브(514)를 통과하여 L4 라인을 따라 슬러리 토출부(530)로 공급된다. 이와 같이 슬러리가 슬러리 토출부로 공급되는 상태에서는 3방향 밸브인 제1밸브는 L1과 L3 사이의 통로는 열리고, L2 방향으로는 닫힌 상태가 되고, 제2밸브는 L3와 L4 사이의 통로가 열린 상태가 된다. 또한 슬러리가 슬러리 토출부로 공급되지 않고 멈추는 상태에서는 제1밸브는 L1의 L3 사이의 통로가 막히고 L1과 L2 사이의 통로가 열리는 상태가 되고, 제2밸브는 닫힌 상태가 된다. 이와 같이 슬러리의 공급을 제어하기 위하여 하나의 온-오프 밸브가 아닌 3방향 밸브 및 온-오프 밸브의 조합을 이용한 것은 슬러리가 토출되고 멈추는 시간을 정확하게 제어하기 위함이다. 밸브의 개폐 방식은 기존 장비와 통신 연계되어 제어가 가능하다. 특히 밸브들의 고속 속도 제어가 가능하도록 제어부를 통해 제1밸브와 제2밸브의 작동을 제어한다. 이때, 제어부는 코팅 작업에 필요한 코팅 롤에 의한 라인 이동 속도, 라인 이송 거리, 도포 시간 등의 사전 셋팅된 데이터에 따른 밸브의 개폐, 코팅액의 토출량을 제어한다. 제3밸브(515)는 제2압력계(517)에서 측정된 압력에 따라 적절한 토출 압력을 유지하도록 일부 슬러리를 L5 방향으로 이송시키는데, 이는 슬러리 토출부의 내부에서 발생하는 양압에 대한 보상을 피드백하기 위함이다. 제2슬러리 저장탱크에 관계된 밸브들에 관한 내용은 앞에서 설명한 내용과 유사하므로 추가적인 설명을 생략한다.
도 8은 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치의 고속밸브 장치 부분을 확대한 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치에 적용되는 고속 밸브 장치(650)는 밸브 및 상기 밸브를 구동하기 위한 밸브 작동부를 구비할 수 있다. 바람직하게는 고속 밸브 장치(650)는 원활한 고속 간헐코팅이 가능하도록 적어도 두 개의 밸브들 및 각 밸브들을 구동하는 밸브 작동부들을 포함할 수 있다. 도 8에서 도시한 바와 같이, 고속 밸브 장치(650)는 제1밸브(603) 및 제1밸브 작동부(609)와 제2밸브(604) 및 제2밸브 작동부(611)를 구비할 수 있다.
제1밸브(603)는 코팅액이 유입되는 유입구(603a), 코팅액이 슬러리 토출부(605) 쪽으로 유출되는 제1유출구(203c) 및 슬러리 저장탱크 쪽으로 유출되는 제2유출구(603b) 및 말단에 제1밸브 헤드(603d)를 갖는 제1피스톤(603e)을 구비한다. 제1피스톤(603e)은 직선 방향으로 움직이면서 제1밸브 헤드(603d)의 위치에 따라 슬러리가 제1유출구(603c) 또는 제2유출구(603b)로 흐르도록 조절한다. 한편 제1밸브 작동부(609)는 제1모터(609a) 및 제1모터(609a)의 회전력을 전달받아 제1밸브(603)의 제1피스톤(603e)을 직선 운동으로 변환하는 제1기구부(609b)를 포함한다. 제2밸브(604)는 상기 제1밸브(603)로부터 유출된 슬러리가 유입되는 유입구(604a), 슬러리가 슬러리 토출부(605) 쪽으로 유출되는 유출구(604b) 및 말단에 제2밸브 헤드(604c)를 갖는 제2피스톤604d)을 구비한다. 제2피스톤(604d)은 직선 방향으로 움직이면서 제2밸브 헤드(604c)의 위치에 따라 슬러리가 슬러리 토출부(605) 쪽으로 흐르거나 흐르지 않도록 조절한다. 한편 제2밸브 작동부(611)는 제2모터(611a) 및 제2모터(611a)의 회전력을 전달받아 제2밸브(603)의 제2피스톤(604d)을 직선 운동으로 변환하는 제2기구부(611b)를 포함한다.
이차전지용 슬러리 코팅장치는 이하의 방식으로 작동할 수 있다. 펌프에 의해 슬러리 저장탱크로부터 슬러리가 필터를 거쳐 이송관을 따라 이송된다. 제1밸브(603)의 유입구(603a)로 유입된 슬러리는 제1유출구(603c)를 통해 E 방향을 따라 제2밸브(604)의 유입구(604a)로 유입되고 유출구(604b)를 통해 F 방향을 따라 슬러리 토출부(605)로 유입된다. 이 경우는 제1밸브(603)가 닫힌 상태이고 제2밸브(604)가 열린 상태이다. 반면 제1밸브(603)가 열린 상태이고 제2밸브(604)가 닫힌 상태가 되면, 슬러리는 제2유출구(603b)를 통해 빠져 나가 I 방향으로 이송된다.
본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치에 있어서, 밸브 개폐 방식은 기존 장비와 통신 연계되어 제어가 가능하다. 특히 밸브들의 고속 속도 제어가 가능하도록 이차전지용 슬러리 코팅장치는 제어부를 통해 제1밸브 작동부(609) 및 제2밸브 작동부(611)를 제어한다. 제어부는 코팅 작업에 필요한 코팅 롤에 의한 라인 이동 속도, 라인 이송 거리, 도포 시간 등의 사전 셋팅된 데이터에 따른 밸브의 개폐, 코팅액의 토출량의 제어를 한다.
이차전지용 슬러리 코팅장치에 사용되며 제어부에 의해 제어되는 모터들(609a, 611a)은 종류는 제한되지 않으나 스텝 모터 또는 서보 모터일 수 있으며, 서보 모터인 것이 바람직하다. 서보 모터는 서보 기구를 구동시키는 전동기이다. 서보 기구는 피드백 제어에 의한 자동 제어 기구이므로 서보 모터의 축단 또는 구동되는 기구의 운동 부분에는 위치와 속도를 검출하는 센서가 부착되어 있다. 센서의 신호를 지령값과 비교함으로써 위치, 속도, 방위, 자세 등의 목표값을 수정하여 서보 모터를 제어한다. 정전, 역전이 가능하고, 저속에서의 운전이 원활하며 급가속, 급감속을 할 수 있다. 서보 모터에는 직류(DC) 전동기와 교류(AC) 전동기가 있다. 코팅 면 감지 센서에서 측정된 위치 및 속도 정보 등은 제어부에 전달되어 모터들(609a, 611a)의 회전속도가 제어된다.
도 9는 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅장치를 제어하는 제어 계통도이다. 도 9를 참조하면, 1, 2차의 밸브를 사용하여 코팅 슬릿 다이(슬롯 다이)에 코팅액을 공급하는데, 이것은 연속적인 펌프의 동작을 유도하여 맥동을 없애고, 단일 밸브를 사용할 경우 발생하는 역압에 의한 정밀 제어의 어려움을 해결하기 위하여 코팅액 보관 탱크로의 피드백 제어를 하기 위함이다. 이것은 상술한 바와 같은 코팅 슬릿 다이 내부에서 발생하는 양압에 대한 보상으로 피드백하는 것과 동일한 원리이다. 본 발명에서는 1, 2차 밸브를 정확한 시간에 일정한 움직임을 고속으로 제어함으로써 코팅된 최종 극판의 성능과 품질을 향상시킬 수 있다.
도 10은 기체의 분사를 이용하여 코팅 패턴 사이의 빈 틈을 메우는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 (가)를 참조하면, 전극 기재(710) 위에 연속 패턴 코팅부(721, 722, 723)와 간헐 패턴 코팅부(724, 725)는 서로 이격되어 있다. 이는 슬러리의 토출과정에서는 코팅부의 경계를 정확하게 제어할 수 없으므로 패턴 사이에 작은 간격의 빈 틈이 존재하도록 하는 것이다. 이때, 패턴의 에지부에는 두께가 두꺼워지도록 활물질이 코팅되어, 제1볼록 에지부(723a, 725a)가 서로 마주보고 형성된다. 에지부의 두께를 상대적으로 두껍게 형성하는 것은 토출 노즐의 형상으로 제어할 수 있는데, 토출방향으로 노즐의 폭이 좁아지도록 노즐의 형상을 설계하면 에지부의 두께가 상대적으로 두꺼워지게 된다. 제1볼록 에지부(723a, 725a)를 형성하는 것은 패턴 사이의 간격을 메우는 과정에서 그 영역의 두께가 얇아지지 않도록 하기 위함이다. 이어서 도 10의(나)를 참조하면, 제1볼록 에지부(723a, 725a)에 경계 방향으로 기체를 분사하여(화살표로 표시함) 제1볼록 에지부(723a, 725a)를 구성하는 슬러리가 서로를 향하여 이동되게 한다. 이때, 기체의 분사는 슬러리의 건조 단계 이전에 분사되어야 하고, 각각의 제1볼록 에지부(723a와 725a)에는 시간 간격을 두고 기체가 분사되도록 할 수 있다. 만약 동시에 서로 다른 방향에서 기체가 분사되면 서로 간섭이 일어날 수 있기 때문이다. 제1볼록 에지부(723a와 725a)에 기체가 분사되면 슬러리가 이동하면서 상대적으로 두께가 얇아진 제2볼록 에지부(723a' 725a')가 형성되게 된다. 이어서 도 10의 (다)를 참조하면, 기체의 분사가 완료되면 볼록 에지부들은 평탄해지면서 패턴 사이의 빈 틈이 메워지게 되고, 연속된 활물질 코팅막이 형성된다.
도 11은 기체 분사노즐을 도식적으로 나타낸 것이다. 도 11을 참조하면, 서로 다른 방향으로 경사각을 가지는 기체 분사노즐(810, 820)이 패턴의 에지부에 설치되고, 각각의 기체 분사노즐에서 시간 차를 두고 기체를 분사하기 위하여 각각의 기체 분사노즐은 전극 필름의 이동방향으로 서로 다른 거리에 설치될 수 있다.
도 12는 기체 분사 전과 후의 코팅 패턴을 비교하여 나타낸 것이다. 도 12를 참조하면 기체의 분사 전에는 (가)와 같이 연속 패턴 코팅부(721, 722, 723)와 간헐 패턴 코팅부(724, 725) 사이에 빈 틈이 있던 코팅부의 전체적인 형상이, 기체의 분사 후에는 (나)와 같이 빈 틈이 메워지면서 코팅부(740)가 형성되고 활물질로 둘러싸여진 폐쇄된 형태의 무지부(730)가 형성된다.
도 13은 본 발명의 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름의 절단 형상 및 이에 따른 전극의 활물질 코팅 형상을 도시한 것이다. 도 13의 (가)를 참조하면, 코팅부(740)가 형성된 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름은 무지부(730)의 아래쪽 경계를 기준으로 폭 방향으로 절단되고, 무지부(730)의 중앙을 경계로 길이 방향으로 절단된다. 절단된 전극은 왼쪽에 도시하였는데, 왼쪽 하단에 무지부(730)가 형성되고, 그 위에 탭(750)이 연결된다. 이러한 구조의 이차전지용 전극은 일측에 연속적으로 형성된 무지부를 가지는 종래의 이차전지용 전극보다 활물질 코팅 면적이 증가된다.
도 13의 (나)를 참조하면, 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름을 무지부(730)의 가운데를 기준으로 수직절단하고, 무지부 사이의 가운데를 기준으로 수평절단한다. 오른쪽에 도시된 이차전지 전극을 보면 왼쪽 중간부에 무지부가 형성되고, 그 위에 탭이 연결된다. 그림으로 따로 도시하지는 않았지만, 코팅 필름의 절단 부위를 조절하면, 측면의 하부나 상부 또는 측면의 중간 영역에 무지부를 형성하는 것도 가능하고, 전극의 중앙부에 무지부를 형성하는 것도 가능하다. 이와 같이 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅방법을 이용하면, 다양한 위치에 탭 형성을 위한 무지부를 형성하는 것이 가능하므로 이차전지의 용량을 향상시키면서도 다양한 형태의 제품 설계가 가능하다.
본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅방법을 이용하면 전극 활물질의 코팅과 동시에 탭을 형성할 수 있는 장점이 있다. 종래의 전극 제조공정에서는 무지부를 연속적으로 형성하고, 그 후에 무지부 영역에 탭 형성을 위한 노칭(notching) 및 펀칭(punching) 공정이 진행된다. 그러나 본 발명의 이차전지용 슬러리 코팅방법에서는 별도로 탭 형성을 위한 노칭(notching) 및 펀칭(punching) 공정없이 슬리팅하여 전극을 제조할 수 있다.
본 발명의 이차 전지용 슬러리 코팅방법을 이용하면 무지부와 코팅부 사이의 경계에서 발생하는 주름에 의한 불량을 방지할 수 있다. 이차전지 전극 코팅 후에는 전극의 치밀화를 위해 프레스 공정을 거치게 되는데, 특히 고압연 및 스트라이프(stripe) 코팅을 하게 될 경우에 무지부와 코팅부 경계에서 주름이 발생하게 되고 이는 심할 경우 추후 전지 제조 시 불량의 원인이 된다.
도 14는 장력 차이에 의하여 무지부에 가까운 코팅 영역에 주름이 발생한 사진이다. 주름의 발생 방지를 위해 가이드 쿠션 롤러(guide cushion roller), 익스펜더 롤(expander roller), 텐션 컷 유닛(tension cut unit), 리와인더 각도 조절, 인덕션 히팅 유닛(induction heating unit) 등 많은 기술이 적용되고 있지만, 본질적으로 주름 제거가 어려운 실정이다. 주름이 발생되는 이유는 압연 공정 후 전극과 무지부의 압연 차이 및 리-와인더(re-winder)에서 원단이 감기게 될 때 무지부와 코팅부의 장력 차이가 발생되기 때문이다. 하지만, 본 발명의 이차 전지용 슬러리 코팅방법을 적용하게 되면 탭 형성을 위한 최소면적의 무지부가 비연속적으로 형성되므로 프레스 시 무지부와 코팅부의 압연률 차이 및 리-와인더로 원단을 감을 때 발생되었던 장력의 차이가 줄어들어 주름의 발생이 완화되는 효과가 있다.
도 15는 종래의 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름과 본 발명의 이차전지 제조용 활물질 코팅 필름에서의 장력 차이 발생을 설명하기 위한 도면이다. 도 15의 (가)를 참조하면, 종래와 같이 연속된 형상의 무지부가 형성된 이차전지용 슬러리 코팅방법에서는 코팅부 영역에서의 장력인 F1 및 F3가 무지부 영역에서의 장력인 F2와 큰 차이를 가지게 된다. 도 15의 (나)를 참조하면, 무지부 영역이 연속적이 아니고 단속적으로 형성되므로 F1 및 F3와 F2의 장력 차이가 줄어들게 된다. 이와 같은 현상이 일어나는 이유는 무지부가 비연속적으로 형성되어 진행 방향으로 작용되었던 장력이 무지부와 무지부 사이에 형성된 코팅부에 의해 상쇄되어 무지부와 코팅부간의 장력차이가 작아지기 때문이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101 : 슬러리 저장탱크 102 : 펌프
103 : 밸브 104 : 슬러리 토출부
104a : 토출액 임시 저장부 104b : 토출 노즐
110 : 코팅 롤 120 : 언-와인더
130 : 리-와인더 200 : 전극 기재
210 : 무지부 220, 220a, 220b, 220c : 코팅부
230 : 전극 연결부 300 : 전극 기재
310a, 310b, 310c : 제1단 코팅부
320a, 320b : 제2단 코팅부 400 : 슬러리 토출부
411, 411a, 411b, 411c : 제1단 토출 노즐
412c, 411d : 토출액 임시 저장부 412, 412a, 412b : 제2단 토출 노즐
500 : 슬러리 코팅장치 511 : 제1슬러리 저장탱크
512 : 제1펌프 513 : 제1밸브
514 : 제2밸브 515 : 제3밸브
516 : 제1압력계 517 : 제2압력계
521 : 제2슬러리 저장탱크 522 : 제2펌프
523 : 제4밸브 524 : 제5밸브
525 : 제6밸브 526 : 제3압력계
527 : 제4압력계 603 : 제1밸브
603a : 유입구 603b : 제2유출구
603c : 제1유출구 603d : 제1밸브 헤드
603e : 제1피스톤 604 : 제2밸브
604a : 유입구 604b : 유출구
604c : 제2밸브 헤드 604d : 제2피스톤
605 : 슬러리 토출부 609 : 제1밸브 작동부
609a : 제1모터 609b : 제1기구부
611 : 제2밸브 작동부 611a : 제2모터
611b : 제2기구부 710 : 전극 기재
721, 722, 723 : 연속 패턴 코팅부
724, 725 : 간헐 패턴 코팅부 723a, 725a : 제1볼록 에지부
723a' 725a' : 제2볼록 에지부 730 : 무지부
740 : 코팅부 750 : 탭
800 : 기체 분사부 810, 820 : 기체 분사노즐

Claims (4)

  1. 이차전지의 전극 기재에 활물질을 코팅하기 위한 이차전지용 활물질 코팅장치에 있어서,
    이차전지용 활물질이 포함된 슬러리가 저장된 슬러리 저장탱크;
    상기 슬러리 저장탱크에서 이송된 슬러리를 전극 기재에 코팅하는 슬러리 토출부;
    상기 슬러리 토출부와 소정의 간격으로 이격되어 설치되고 상기 전극 기재를 이송시키는 코팅 롤;
    상기 슬러리 저장탱크로부터 슬러리 토출부로 슬러리를 이송시키기 위한 펌프;
    상기 펌프와 상기 슬러리 토출부 사이에 설치되어 슬러리의 토출을 조절하는 밸브; 및
    상기 밸브를 전기적으로 제어하기 위한 밸브 제어부;을 포함하고,
    상기 슬러리 토출부는 복수개의 토출 노즐로 이루어지며,
    상기 슬러리 토출부는 연속 다열 코팅을 위한 제1단 토출 노즐과 간헐 코팅을 위한 제2단 토출 노즐을 포함하고,
    상기 밸브와 밸브 제어부는 상기 제1단 토출 노즐과 제2단 토출 노즐을 별도로 제어하도록 구분되어 설치되고,
    상기 제1단 토출 노즐과 상기 제2단 토출 노즐은 코팅영역이 중첩되지 않도록 구성되고,
    상기 제1단 토출 노즐에 의한 코팅부와 상기 제2단 토출 노즐에 의한 코팅부 사이에 형성된 틈을 메우기 위한 기체 분사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 활물질 코팅장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체 분사부는 서로 반대 방향으로 기체를 분사하는 한쌍의 기체 분사노즐로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 활물질 코팅장치.
KR1020160020771A 2016-02-22 2016-02-22 이차전지용 활물질 코팅장치 KR101641095B1 (ko)

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