KR101725904B1 - 복합형 건조 오븐을 포함하고 있는 전극 건조 장치 - Google Patents

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Abstract

전극 활물질을 포함한 전극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 전극 시트에서 전극 합제 중의 용매를 건조하는 건조 오븐을 하나 이상 구비하고 있는 전극 건조 장치로서, 상기 건조 오븐은, 전극 시트의 상면에 열풍을 공급하는 복수의 제 1 노즐들과 하면에 열풍을 공급하는 복수의 제 2 노즐들; 전극 시트 하부의 지지를 위한 상향 이동과 전극 시트 하부로부터의 이탈을 위한 하향 이동이 가능한 복수의 롤러들; 상기 롤러들을 상향 및 하향 이동으로 이동시키는 상하 조절기; 및 상기 제 1 및 제 2 노즐들과 롤러들이 내부에 장착되어 있고, 전극 시트가 내부의 일측 부위로부터 대향측 부위로 이동하도록 구성되어 있는 챔버를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치을 제공한다.

Description

복합형 건조 오븐을 포함하고 있는 전극 건조 장치 {Electrode Drying Device Including Hybrid Drying Oven}
본 발명은 복합형 건조 오븐을 포함하고 있는 전극 건조 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
리튬 이차전지는 전류 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 복합 산화물 등이 사용되고 있고, 음극 활물질로는 탄소재료가 주로 사용되고 있고, 규소 화합물, 황 화합물 등의 사용도 고려되고 있다.
이러한 이차전지의 전극을 제조하는 방법으로는, 활물질, 도전재 및 바인더 등을 용매에 분산시켜 슬러리를 제조한 다음, 전극 집전체에 직접 도포 및 건조시켜 형성하거나, 또는 슬러리를 별도의 지지체 상부에 도포 및 건조시킨 다음, 이 지지체로부터 박리한 필름을 집전체 상에 라미네이션 하는 방법으로 형성한다.
일반적으로 종래의 건조 시스템은 열풍을 이용한 대류 건조 방식을 채용하고 있다.
구체적으로, 종래의 건조 시스템은, 건조실 내에 배치되어 있는 코팅재에 열풍을 조사함과 동시에, 가열된 공기(hot air)를 건조실 내에 공급함으로써 대류 방식에 의해 공기 매질을 가열하여 코팅재에 열을 전달하도록 되어 있다.
그러나, 이러한 건조 시스템의 경우, 용매의 종류나 용매의 양, 전극 시트의 두께에 따라 건조 장치의 설비의 변경이 까다롭고, 설비를 변경할 경우 많은 비용과 시간이 투자된다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 건조 오븐 내에 제1 노즐들 및 제 2 노즐들과 복수의 롤러들을 구비하고, 용매의 양과 전극 시트의 두께에 따라, 상하 조절기를 통해 롤러들을 이동시켜 구조를 유연하게 변경함으로써, 제조 비용을 절감하고 우수한 건조 성능을 달성할 수 있는 전극 건조 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 건조 장치는, 전극 활물질을 포함한 전극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 전극 시트에서 전극 합제 중의 용매를 건조하는 건조 오븐을 하나 이상 구비하고 있는 전극 건조 장치로서, 상기 건조 오븐은, 전극 시트의 상면에 열풍을 공급하는 복수의 제 1 노즐들과 하면에 열풍을 공급하는 복수의 제 2 노즐들; 전극 시트 하부의 지지를 위한 상향 이동과 전극 시트 하부로부터의 이탈을 위한 하향 이동이 가능한 복수의 롤러들; 상기 롤러들을 상향 및 하향 이동으로 이동시키는 상하 조절기; 및 상기 제 1 및 제 2 노즐들과 롤러들이 내부에 장착되어 있고, 전극 시트가 내부의 일측 부위로부터 대향측 부위로 이동하도록 구성되어 있는 챔버를 포함하고 있는 전극 건조 장치일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극 건조 장치는, 건조 오븐 내에 제1 노즐들 및 제 2 노즐들과 복수의 롤러들을 구비하고, 용매의 양과 전극 시트의 두께에 따라, 상하 조절기를 통해 롤러들을 이동시켜 구조를 유연하게 변경함으로써, 제조 비용을 절감하고 우수한 건조 성능을 달성할 수 있다.
구체적으로, 상기 롤러들은 각각 개별적으로 상향 및 하향 이동이 가능하도록 구성되어 있을 수 있다.
따라서, 각각 롤러들이 개별적으로 상향 및 하향 이동이 가능함으로써, 다양한 용매의 양과 전극 시트의 두께에 따라, 건조 오븐의 구조를 용이하게 변경할 수 있다.
롤러 위치의 하나의 예로서, 상기 전극 건조 장치는 롤러들이 상향 이동하여 전극 시트의 하부를 지지하는 제 1 위치에 있을 때, 롤러들의 회전력은 전극 시트의 이동을 위한 구동력을 제공하거나 또는 전극 시트의 이동에 조력하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기의 롤러들은 전극 시트의 변형 없이 안정적으로 전극 시트를 이동시킨다.
롤러 위치의 또 하나의 예로서, 상기 전극 건조 장치는 롤러들이 하향 이동하여 전극 시트의 하부로부터 이탈되는 제 2 위치에 있을 때, 제 2 노즐들에서 발생한 열풍에 의해 전극 시트가 지지 및 이송되는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기의 열풍은 롤러가 이탈되어 롤러가 전극시트를 지지하지 않을 때, 전극 시트를 건조시키면서 안정적으로 전극 시트를 지지 및 이송시키는 구조이다.
또한, 상기 롤러들이 제 1 위치에서 있을 때의 전극 시트의 이송 속도와 제 2 위치에서 있을 때의 전극 시트의 이송 속도는 동일한 속도로 이송함으로써, 전극 시트의 손상 없이 안정적으로 이송시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 전극 합제와 집전체를 포함하는 전극 시트의 전체 두께가 30 ㎛ 이상일 때, 상기 롤러들이 제 1 위치로 이동하여 상기 전극 시트의 하부를 지지하도록 설정되어 있는 구조일 수 있다.
전극 합제와 집전체를 포함하는 전극 시트의 전체 두께가 30 ㎛ 이상일 경우, 전극 시트의 무게로 인해, 제 2 노즐들에서 발생한 열풍에 의해 전극 시트가 용이하게 지지 및 이송되지 않으므로, 상기 롤러들이 제 1 위치로 이동하여 상기 전극 시트의 하부를 지지하여 안정적으로 전극 시트를 지지 및 이송할 수 있다.
또 하나의 구체적인 예에서, 전극 합제에 포함되는 용매의 양이 전극 시트의 중량을 기준으로 30% 이상일 때, 상기 롤러들이 제 1 위치로 이동하여 상기 전극 시트의 하부를 지지하도록 설정되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 전극 합제에 포함되는 용매의 양이 전극 시트의 중량을 기준으로 30% 이상일 경우, 전극 시트의 무게로 인해, 제 2 노즐들에서 발생한 열풍에 의해 전극 시트가 용이하게 지지 및 이송되지 않으므로, 상기 롤러들이 제 1 위치로 이동하여 상기 전극 시트의 하부를 지지하여 안정적으로 전극 시트를 지지 및 이송할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 건조 장치는, 상기 건조 오븐의 내부 온도가 섭씨 80도 내지 170도의 범위에서 설정되는 구조일 수 있다.
상기 건조 오븐의 내부 온도가 80도 보다 낮은 경우에는 온도에 의한 건조 효과가 크게 나타나지 않아 건조 시간이 길어지는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 건조 온도가 170도 보다 높은 경우에는 전극 물질들이 열에 의하여 변성될 수 있다.
또한, 상기의 건조 오븐은 연속적으로 둘 이상 배열되어 전극 시트를 용이하게 건조시키는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 건조 오븐들 각각은 전극 시트의 두께 또는 전극 합제에 포함되는 용매의 양에 의해 롤러들의 위치가 설정되는 구조일 수 있다.
구체적으로, 전극 시트의 두께가 얇거나 전극 합제에 포함되는 용매의 양이 적을 경우, 제 2 노즐들에 의해 충분하게 전극 시트의 지지 및 이송이 가능하지만, 반대로 전극 시트의 두께가 두껍거나 전극 합제에 포함되는 용매의 양이 많을 경우, 전극 시트 전체의 무게가 증가하므로 이에 따라, 상기 전극 시트의 두께 또는 전극 합제에 포함되는 용매의 양에 따라 건조 오븐들 각각의 롤러들이 제 1 위치로 이동하여 전극 시트를 지지함으로써, 손상 없이 용이하게 전극 시트를 지지 및 이송할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 건조 장치의 또 다른 예로서, 전극 건조 장치는 챔버 내로 전극 시트를 공급하는 권출기(Unwinder), 및 챔버를 통과한 전극 시트를 권취하는 권취기(Rewinder)를 추가로 포함하고 있을 수 있고, 상기 챔버의 내부에는 롤러들을 상향 및 하향 이동으로 이동시키는 상하 조절기가 장착되어 있을 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극 건조 장치를 사용하여 제조되는 전극조립체를 제공한다.
상기 전극조립체는 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것 중 하나일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지를 제공하며, 상기 이차전지를 단위전지로서 둘 또는 그 이상 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 건조 장치는, 건조 오븐 내에 제1 노즐들 및 제 2 노즐들과 복수의 롤러들을 구비하고, 용매의 양과 전극 시트의 두께에 따라, 상하 조절기를 통해 롤러들을 이동시켜 설비를 변경함으로써, 우수한 건조 성능을 달성한 전극 건조 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 건조 장치의 단면도이다;
도 2는 도 1의 전극 건조 장치에서 롤러들이 제 1 위치에서 제 2 위치로 이동한 상태의 단면도이다;
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 챔버 내에 상하 조절기가 설치되어 있는 전극 건조 장치의 단면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 권출기 및 권취기와 다수의 건조오븐으로 이루어져 있는 전극 건조 장치의 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 건조 장치의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극 건조 장치(100)는, 전극 활물질을 포함한 전극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 전극 시트(110)에서 전극 합제 중의 용매를 건조하는 건조 오븐(150)으로 이루어져 있다.
건조 오븐(150)은 전극 시트(110)의 상면에 열풍을 공급하는 복수의 제 1 노즐들(121)과 하면에 열풍을 공급하는 복수의 제 2 노즐들(122); 전극 시트(110) 하부의 지지를 위한 상향 이동과 전극 시트 하부로부터의 이탈을 위한 하향 이동이 가능한 복수의 롤러들(130); 롤러들(130)을 상향 및 하향 이동으로 이동시키는 상하 조절기(140); 및 제 1 및 제 2 노즐들(121, 122)과 롤러들(130)이 내부에 장착되어 있고, 전극 시트(110)가 내부의 일측 부위로부터 대향측 부위로 이동하도록 구성되어 있는 챔버(160)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
또한, 롤러들(130)은 상하 조절기(140)에 의해 각각 개별적으로 지면을 기준으로 상향 및 하향 이동이 가능하다. 롤러들(130)이 상향 이동하여 전극 시트(110)의 하부를 지지하는 제 1 위치(131)에 있을 때, 롤러들(130)의 회전력은 전극 시트(110)의 이동을 위한 구동력을 제공하거나 또는 전극 시트(110)의 이동에 조력하여 안정적으로 전극 시트(110)를 이송시킬 수 있다.
롤러들(130)의 위치는 전극 시트(110)의 두께 및 전극 합제에 포함되는 용매의 양에 따라 결정된다.
전극 합제와 집전체를 포함하는 전극 시트(110)의 전체 두께가 30 ㎛ 이상일 경우에는, 롤러들(130)이 제 1 위치(131)로 이동하여 안정적으로 전극 시트(110)를 지지 및 이송하도록 설정되어 있다.
또한, 전극 합제에 포함되는 용매의 양이 전극 시트(110)의 중량을 기준으로 30% 이상일 경우에도, 롤러들(130)이 제 1 위치(131)로 이동하여 안정적으로 전극 시트(110)를 지지 및 이송하도록 설정되어 있다.
이와 같은 설정 범위 외에서는 롤러들(130)의 위치가 제 2 위치로 이동하게 되고, 이는 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2에는 롤러들이 제 1 위치에서 제 2 위치로 이동한 상태의 전극 건조 장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극 건조 장치(200)는, 롤러들(230)이 지면을 기준으로 하향 이동함으로써 전극 시트(210)의 하부로부터 이탈하여 제 2 위치(232)에 있을 경우에 제 2 노즐들(222)에서 발생한 열풍(223)에 의해 전극 시트(210)가 지지 및 이송되는 구조로 이루어져 있다.
또한, 롤러들(230)이 제 1 위치(231)에 있을 때의 전극 시트(210)의 이송 속도와 제 2 위치(232)에 있을 때의 전극 시트(210)의 이송 속도는 동일한 이송 속도로 유지되므로, 롤러들(230)의 상향 또는 하향 이동에 따른 전극 시트(210)의 건조 성능에는 변화가 없다.
롤러들(230)의 위치를 제외한 나머지 구조는, 도 1 및 도 2에서 언급한 실시예들의 구조와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 챔버 내에 상하 조절기가 설치되어 있는 구조의 전극 건조 장치의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 롤러들(330)의 위치를 설정하는 상하 조절기(340)는 챔버(360) 내에 위치하며, 전극 시트(310)의 두께 또는 전극 합제(310)에 포함되는 용매의 양에 의해 롤러들(330)을 상향 및 하향 이동시키는 구조로 이루어져 있다. 이와 같이 상하 조절기(340)가 형성된 위치를 제외한 나머지 구조는, 도 1 및 도 2에서 언급한 실시예들의 구조와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 권출기 및 권취기와 다수의 건조오븐으로 이루어져 이는 전극 건조 장치의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전극 건조 장치(400)는 보다 높은 건조 능력을 확보하기 위해서, 챔버(460) 내에 3 개의 건조 오븐들(450)을 연속적으로 배열하고, 건조 오븐들(450)의 좌측에는 권출기(470)를 위치시키며, 우측에는 권취기(480)를 위치시키는 구조로 이루어져 있다.
이 같은 전극 건조 장치(400)에서 전극 시트(410)는 권출기(470)에 의해 챔버(460) 내로 공급되어 건조되고, 건조된 후 챔버(460)를 통과한 전극 시트(410)는 다음 공정을 위해 권취기(480)에 의해 권취된다.
전극 시트(410)의 두께 및 전극 합제에 포함되는 용매의 양에 따라, 건조 오븐(450) 내부의 온도는, 섭씨 80도 내지 170도 범위에서 설정되어 있다.
건조 오븐(450) 내부에서의 구조는 도 1 및 도 2에서 언급한 실시예들의 구조와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 전극 건조 장치는, 앞서 설명한 바와 같이 건조 오븐 내에 제1 노즐들 및 제 2 노즐들과 복수의 롤러들을 구비하고, 용매의 양과 전극 시트의 두께에 따라, 상하 조절기를 통해 롤러들을 이동시켜 설비를 변경함으로써, 건조 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 전극 활물질을 포함한 전극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 전극 시트에서 전극 합제 중의 용매를 건조하는 건조 오븐을 하나 이상 구비하고 있는 전극 건조 장치로서,
    상기 건조 오븐은,
    전극 시트의 상면에 열풍을 공급하는 복수의 제 1 노즐들과 하면에 열풍을 공급하는 복수의 제 2 노즐들;
    전극 시트 하부의 지지를 위한 상향 이동과 전극 시트 하부로부터의 이탈을 위한 하향 이동이 가능한 복수의 롤러들;
    상기 롤러들을 상향 및 하향 이동으로 이동시키는 상하 조절기; 및
    상기 제 1 및 제 2 노즐들과 롤러들이 내부에 장착되어 있고, 전극 시트가 내부의 일측 부위로부터 대향측 부위로 이동하도록 구성되어 있는 챔버;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 롤러들은 각각 개별적으로 상향 및 하향 이동이 가능하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 롤러들이 상향 이동하여 전극 시트의 하부를 지지하는 제 1 위치에 있을 때, 롤러들의 회전력은 전극 시트의 이동을 위한 구동력을 제공하거나 또는 전극 시트의 이동에 조력하는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 롤러들이 하향 이동하여 전극 시트의 하부로부터 이탈되는 제 2 위치에 있을 때, 제 2 노즐들에서 발생한 열풍에 의해 전극 시트가 지지 및 이송되는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 롤러들이 제 1 위치에서 있을 때의 전극 시트의 이송 속도와 제 2 위치에서 있을 때의 전극 시트의 이송 속도는 동일한 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 전극 합제와 집전체를 포함하는 전극 시트의 전체 두께가 30 ㎛ 이상일 때, 상기 롤러들이 제 1 위치로 이동하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 전극 합제에 포함되는 용매의 양이 전극 시트의 중량을 기준으로 30% 이상일 때, 상기 롤러들이 제 1 위치로 이동하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 건조 오븐의 내부 온도는 섭씨 80도 내지 170도의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 건조 장치는 연속적으로 배열된 둘 이상의 건조 오븐들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 건조 오븐들 각각은 전극 시트의 두께 또는 전극 합제에 포함되는 용매의 양에 의해 롤러들의 위치가 설정되는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 상하 조절기는 챔버의 내부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 건조 장치는, 챔버 내로 전극 시트를 공급하는 권출기(Unwinder), 및 챔버를 통과한 전극 시트를 권취하는 권취기(Rewinder)를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 장치.
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