KR101863518B1 - 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법은 바인더 용액(12)이 도포된 집전체(11)를 반송하는 단계와, 상기 집전체(11)와, 반송되고 있는 상기 집전체(11)로부터 간극을 생성하도록 배치된 스퀴지 부재(25)와의 간극을 향하여 상기 조립 입자(13a)의 분체(13)를 안내하면서, 상기 집전체(11) 상에 상기 조립 입자(13a)의 분체(13)를 공급하는 단계와, 상기 스퀴지 부재(25)를 사용함으로써, 상기 집전체(11) 상에 공급된 상기 조립 입자(13a)의 분체(13)를 성형하는 단계를 포함한다.

Description

리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING LITHIUM-ION SECONDARY BATTERY ELECTRODE SHEET}
본 발명은 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법에 관한 것이다. 본 명세서에서 용어 "이차 전지"는 일반적으로 반복 재충전가능한 전지를 의미한다. 용어 "리튬 이온 이차 전지"는 전해질 이온으로 리튬 이온을 사용하고, 정부극 사이에서 리튬 이온의 이동에 수반하는 전하의 전달에 의한 충방전이 실현되는 이차 전지를 의미한다. 리튬 이온 이차 전지는 전해질 염이 용해된 비수 용매를 포함하는 비수 전해질이 사용된 비수 전해질 이차 전지의 일종이다. 본 출원은 2014년 7월 2일에 출원된 일본 특허 출원 제2014-136648호의 우선권을 청구하며, 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
일본 특허 공개 제2013-012327호 공보에는, 집전체 상에 바인더 용액을 도포한 후, 활물질 입자와 바인더를 포함하는 조립 입자의 분말을 퇴적시키고, 상기 퇴적층을 가열하면서, 두께 방향으로 가압하여, 전극 시트를 제조하는 것이 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2007-095839호 공보에는, 전기 화학 소자 전극용 시트의 제조 방법이 개시되어 있다. 여기서 개시되는 전기 화학 소자 전극용 시트의 제조 방법은 분말 저류조에 초음파에 의한 진동이 발생하는 분말 공급기에 의해, 거의 수평으로 배치된 한 쌍의 프레스용 롤 또는 벨트에 전극 재료를 연속적으로 공급하는 공정을 포함한다.
일본 특허 공개 제2013-012327호 공보 일본 특허 공개 제2007-095839호 공보
본 발명자들은 집전체 상에 바인더 용액을 도포한 후, 활물질 입자와 바인더를 포함하는 조립 입자의 분말을 공급하여, 집전체 상에 활물질 입자 층이 형성된 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트를 형성하는 기술을 검토하고 있다. 이 경우, 집전체 상에 활물질 입자 층을 고정밀도로 형성하는 것이 바람직하다.
여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법은 다음의 1 내지 7의 단계를 포함한다.
1. 띠 형상의 집전체를 준비하는 단계.
2. 활물질 입자와 제1 바인더를 포함하는 조립 입자의 분체를 준비하는 단계.
3. 제2 바인더를 용매 중에 포함하는 바인더 용액을 준비하는 단계.
4. 상기 집전체에 상기 바인더 용액을 도포하는 단계.
5. 상기 바인더 용액이 도포된 상기 집전체를 반송하는 단계.
6. 상기 집전체와, 반송되고 있는 상기 집전체로부터 간극을 생성하도록 배치된 스퀴지 부재와의 간극을 향하여 상기 조립 입자의 분체를 안내하면서, 상기 집전체 상에 상기 조립 입자의 분체를 공급하는 단계.
7. 상기 스퀴지 부재를 사용함으로써, 상기 집전체 상에 공급된 상기 조립 입자의 분체를 성형하는 단계.
이러한 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법에 의하면, 집전체 상에 조립 입자의 분체층을 고정밀도로 형성할 수 있다. 이러한 관점에서, 집전체의 반송 방향의 상류측에서 볼 때, 집전체와 스퀴지 부재와의 간극이 가장 좁은 위치로부터 상류 5cm 이내의 임의의 위치에, 조립 입자의 분체가 공급될 수도 있다.
또한, 조립 입자의 분체를 공급하는 단계에서, 조립 입자의 분체는, 조립 입자의 분체가 배출되는 배출구를 구비한 용기에 수용될 수 있다. 이 경우, 상기 배출구에서, 간극을 향하여 안내 부재가 배치되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 조립 입자의 분체가, 안내 부재 상에 적재되어 반송되는 집전체와 스퀴지 부재와의 간극에 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 안내 부재는 배출구로부터 간극을 향하여 높이가 점차 낮아지는 안내면을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 안내면을 따라 조립 입자의 분체가 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 안내면을 진동시킴으로써 배출구로부터 간극을 향하여 조립 입자의 분체를 공급할 수도 있다. 또한, 스퀴지 부재의 앞쪽에 체류한 분체의 양에 따라, 배출구를 통과하는 분체의 양이 조정될 수도 있다. 또한, 스퀴지 부재는 원통 형상의 롤러 부재이며, 집전체에 외주면이 대향하도록 배치될 수도 있다. 이 경우, 안내 부재는 롤러 부재와 집전체와의 간극까지 조립 입자의 분체를 안내하는 것이 바람직하다.
도 1은 여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법을 구현화하는 제조 장치를 도시하는 모식도이다.
도 2는 조립 입자(13a)를 도시하는 모식도이다.
도 3은 집전체(11) 상에 조립 입자(13a)의 분체(13)가 공급되는 부분의 확대도이다.
도 4는 집전체(11) 상에 조립 입자(13a)의 분체(13)가 공급되는 부분의 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
이하, 여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법에 관한 실시형태의 일례를 설명한다. 여기서 설명되는 실시형태는 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 도면은 모식적으로 도시되어 있고, 예를 들어 도면의 치수 관계(길이, 폭, 두께 등)는 반드시 실제의 치수 관계를 반영하지는 않는다. 동일한 효과를 발휘하는 부재ㆍ부위에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 적절하게 생략할 수 있다.
<<제조 장치(10)>>
도 1은 여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법을 구현하는 제조 장치(10)를 도시하는 모식도이다. 제조 장치(10)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 반송 장치(21)와, 도포 장치(22)와, 공급 장치(23)와, 안내 부재(24)와, 스퀴지 부재(25)와, 프레스 롤러(26, 27)를 구비하고 있다. 반송 장치(21)는 집전체(11)를 반송하기 위한 장치이다. 도포 장치(22)는 바인더 용액(12)을 도포하기 위한 장치이다. 공급 장치(23)는 조립 입자(13a)(도 2 참조)의 분체(13)를 공급하기 위한 장치이다. 제조 장치(10)를 구성하는 이 장치의 상세사항에 대해서는 후술한다. 도 2는 조립 입자(13a)를 모식적으로 도시하는 도면이다.
<<리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법>>
여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법은 이하의 단계 1 내지 7을 포함한다:
1. 띠 형상의 집전체(11)를 준비하는 단계와;
2. 활물질 입자(13a1)와 제1 바인더(13a2)를 포함하는 조립 입자(13a)의 분체(13)를 준비하는 단계와;
3. 제2 바인더를 용매 중에 포함하는 바인더 용액(12)을 준비하는 단계와;
4. 상기 집전체(11)에 상기 바인더 용액(12)을 도포하는 단계와;
5. 상기 바인더 용액(12)이 도포된 상기 집전체(11)를 반송하는 단계와;
6. 상기 집전체(11)와, 반송되고 있는 상기 집전체(11)로부터 간극을 생성하도록 배치된 스퀴지 부재(25)와의 간극을 향하여 상기 조립 입자(13a)의 분체(13)를 안내하면서, 상기 집전체(11) 상에 상기 조립 입자(13a)의 분체(13)를 공급하는 단계와;
7. 상기 스퀴지 부재(25)를 사용함으로써, 상기 집전체(11) 상에 공급된 상기 조립 입자(13a)의 분체(13)를 성형하는 단계.
<<집전체(11)를 준비하는 단계>>
단계 1에서, 집전체(11)가 준비된다. 여기서 준비되는 집전체(11)는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트에서 전기가 취출되기 위한 부재이다. 예를 들어, 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 집전체(11)로서 적합한 재료는, 전자 전도성이 우수하고 전지 내부에서 안정적으로 존재할 수 있는 재료이다. 또한, 집전체(11)는 경량화나 미리 정해진 기계 강도나 가공성 등이 요구된다. 예를 들어, 리튬 이온 이차 전지의 정극에는 집전체(11)로서 알루미늄박이 사용된다. 부극에는 집전체(11)로서 구리박이 사용된다. 도 1에 도시하는 예에서는, 집전체(11)로서, 띠 형상의 금속박(구체적으로는, 알루미늄박(두께 15μm) 또는 구리박(두께 10μm))이 준비되어 있고, 도면에 도시하진 않았지만, 권취 코어 주위에 감겨진 상태로 준비되어 있다. 이러한 띠 형상의 집전체(11)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 롤-대-롤 공정으로 반송하면서 미리 정해진 처리를 수행하는데 적합하다.
도 1에 도시된 예에서, 집전체로서의 띠 형상의 집전체(11)가 롤(21a)에 권취되어 있다. 반송 장치(21)에는 복수의 풀리(21b)가 설치되어 있고, 그 안에는 미리 정해진 반송 경로가 설치되어 있다. 집전체(11)는 롤(21a)로부터 인출되어 반송 경로를 따라 반송된다. 그리고, 반송 경로 상에 활물질 입자의 층이 형성되고, 전류 집전체(11)는 롤(21c) 주위에 권취된다. 집전체는 금속박일 필요는 없다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, 제조되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 용도에 따라, 집전체(11)는 도전성 수지 필름일 수 있다. 본 명세서에서 용어 "준비한다"란, 예를 들어 적절하게, 필요한 재료를 재료의 제조자로부터 입수하는 것을 의미할 수 있다.
<<조립 입자(13a)의 분체(13)를 준비하는 단계>>
단계 2에서, 조립 입자(13a)의 분체(13)가 준비된다. 여기서 준비되는 조립 입자(13a)는 활물질 입자(13a1)와 바인더(13a2)를 적어도 포함하는 것이 바람직하다. 상기 조립 입자(13a)의 분체(13)는, 예를 들어 활물질 입자(13a1)와 바인더(13a2)를 용매와 혼합된 합제(현탁액)를 스프레이 드라이 제법으로 과립화함으로써 얻을 수 있다. 스프레이 드라이 제법에서는, 합제가 건조한 분위기에서 분무된다. 이때, 분무된 액적들 각각에 함유된 입자가 대략 하나의 응집체가 되어 더 큰 입자로 형성된다. 따라서, 액적의 크기에 따라, 조립 입자(13a)에 함유된 고형분량이 달라질 수 있고, 조립 입자(13a)의 크기와 질량 등이 달라질 수 있다. 분무되는 액적은 활물질 입자(13a1)와 바인더(13a2)를 적어도 함유하는 것이 바람직하다. 분무되는 액적이, 활물질 입자(13a1)와 바인더(13a2) 이외의 재료가 함유되어 있을 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들어 도전재가 그 안에 함유되어 있을 수 있다. 여기서 준비되는 조립 입자(13a)는 평균 입경이 약 60μm 내지 100μm인 것이 바람직하다. 본 명세서에서 용어 "평균 입경"은, 특기하지 않는 한, 레이저 산란ㆍ회절법에 의해 입도 분석기를 사용하여 측정한 입도 분포에서 적산 부피 50%에서의 입경, 즉 50% 부피 평균 입경을 의미한다.
<활물질 입자(13a1)>
여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법은 다양한 종류의 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트에 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 리튬 이온 이차 전지의 정극용 전극 시트 및 부극용 전극 시트에 적용할 수 있다. 정극용 전극의 전극 시트를 제조하는 경우에, 활물질 입자(13a1)에는 리튬 이온 이차 전지의 정극용 활물질 입자를 사용한다. 다른 한편, 부극용 전극의 전극 시트를 제조하는 경우에, 활물질 입자(13a1)에는 리튬 이온 이차 전지의 부극용 활물질 입자를 사용한다. 활물질 입자(13a1)는 제조되는 리튬 이온 이차 전지에 따라 달라질 수 있다.
<리튬 이온 이차 전지의 정극에 사용되는 활물질 입자의 예>
여기서는, 리튬 이온 이차 전지를 예로 들어 설명한다. 리튬 이온 이차 전지의 정극에 사용되는 활물질 입자(13a1)의 바람직한 예로, 리튬 니켈 산화물(예를 들어 LiNiO2), 리튬 코발트 산화물(예를 들어 LiCoO2), 리튬 망간 산화물(예를 들어 LiMn2O4) 등의 리튬과 1종 이상의 전이 금속 원소를 포함하는 산화물(즉, 리튬 전이 금속 산화물); 및 인산 망간 리튬(LiMnPO4), 인산 철 리튬(LiFePO4) 등의 리튬과 1종 이상의 전이 금속 원소를 포함하는 인산염 등을 들 수 있다. 이들은 입자 형태로 사용되며, 적절하게 정극 활물질 입자라고 불릴 수 있다. 정극 활물질 입자는 단독으로 또는 조합으로 사용할 수 있다. 이 정극 활물질 입자는 도전성이 낮기 때문에, 정극 활물질층에는 도전성을 향상시키기 위해 도전재가 포함되어 있다. 이 경우, 도전재는 스프레이 드라이로 분무되는 액적 중에 함유시키는 것이 바람직하다.
<리튬 이온 이차 전지의 부극에 사용되는 활물질 입자의 예>
리튬 이온 이차 전지의 부극에 사용되는 활물질 입자의 바람직한 예로는, 그래파이트 카본, 아몰퍼스 카본과 같은 탄소계 재료, 리튬 전이 금속 산화물, 리튬 전이 금속 질화물 등이 있다. 이들은 입자 형태로 사용되며, 적절하게 부극 활물질 입자로 불릴 수 있다. 부극 활물질 입자는 단독으로 또는 조합으로 사용할 수 있다. 부극 활물질층에는 도전성을 향상시키기 위해 도전재를 함유시킬 수 있다. 이 경우, 도전재는 스프레이 드라이로 분무되는 액적 중에 함유되어 있는 것이 바람직하다.
<도전재(도전 보조제)>
도전재로는, 예를 들어 카본 분말, 탄소 섬유 등의 탄소 재료를 들 수 있다. 이러한 예의 도전재 중 1종을 단독으로 또는 다른 1종 이상과 조합으로 사용할 수도 있다. 카본 분말로는, 예를 들어 아세틸렌 블랙, 오일 퍼니스 블랙, 흑연화 카본 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 그래파이트 등의 분말을 들 수 있다. 이러한 도전재는, 활물질 입자(13a1)와 집전체(11)와의 도전 경로를 형성하는 데 있어서, 도전성이 부족한 활물질 입자(13a1)를 사용하는 경우에 바람직하게 첨가된다.
<<바인더(13a2)>>
다음은, 조립 입자(13a)를 준비하는 단계에서, 조립 입자(13a)에 첨가되는 바인더(13a2)에 대해 설명한다. 조립 입자(13a)는 바람직하게는 스프레이 드라이 제법으로 조립된다. 따라서, 조립 입자(13a)에 첨가되는 바인더(13a2)에는, 용매에 용해 또는 분산 가능한 중합체를 사용한다. 수성 용매에 용해 또는 분산 가능한 중합체의 예로는, 고무류(스티렌 부타디엔 공중합체(SBR), 아크릴산 변성 SBR 수지(SBR계 라텍스) 등), 아세트산 비닐 공중합체, 아크릴레이트 중합체 등을 들 수 있다. 비수 용매에 용해 또는 분산 가능한 중합체로는, 예를 들어 폴리불화 비닐리덴(PVDF)을 들 수 있다. 또한, 조립 입자(13a)에 첨가되는 바인더(13a2)로서, 셀룰로오스계 중합체, 플루오로중합체(예를 들어, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)) 등을 사용할 수 있다. 여기서는 조립 입자(13a)에 첨가되는 바인더(13a2)의 예를 나타내지만, 조립 입자(13a)에 첨가되는 바인더(13a2)는 여기에 나타낸 예에 한정되지 않는다는 것을 유의한다.
<<바인더 용액(12)을 준비하는 단계>>
단계 3에서는, 바인더 용액(12)이 준비된다. 여기서 준비되는 바인더 용액(12)은 용매에 바인더(제2 바인더)를 혼합한 용액이다. 바인더 용액(12)의 용매로는, 환경 부하를 감소시기는 관점에서, 소위 수계 용매가 바람직하게 사용된다. 이 경우, 물 또는 물로 주로 구성된 혼합 용매가 사용된다. 바인더 용액(12)의 용매는 소위 수계 용매에 한정되지 않고, 소위 유기 용제계이어도 된다. 유기 용제계로는 예를 들어 N-메틸피롤리돈(NMP) 등을 들 수 있다.
또한, 바인더 용액(12)에 포함되는 바인더(즉, 제2 바인더)는 용매에 분산될 수 있는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서, 용매가 수계이기 때문에, 예를 들어 스티렌부타디엔 고무(SBR), 폴리아크릴산(PAA) 등이 바람직하다. 또한, 용매로서 유기 용제계인 것을 사용할 때에는, 바인더의 바람직한 예로는, 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리아크릴산(PAA) 등을 들 수 있다. 바인더 용액(12)의 바람직한 예로는, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 정극에 대해서는, 물을 용매로 하고, 아크릴 수지(예를 들어, 폴리메틸 메타크릴레이트)를 용매와 혼합하는 바인더로서 하는 것이 바람직하다. 리튬 이온 이차 전지의 부극에 대해서는, 물을 용매로 하고, SBR을 용매와 혼합하는 바인더로서 하는 것이 바람직하다.
<<바인더 용액(12)을 도포하는 단계>>
단계 4에서는, 집전박(11) 상에 바인더 용액(12)이 도포된다. 바인더 용액(12)은 미리 정해진 패턴으로 집전체(11)에 도포되는 것이 바람직하다. 또한, 바인더 용액(12)은, 예를 들어 약 1μm 내지 20μm의 두께로 집전체(11) 상에 얇게 도포되고, 그라비아 인쇄 등에 의해 도포되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도포 장치(22)로는 다이렉트 그라비아 롤 코터가 사용될 수 있다. 이러한 도포 장치(22)는, 미세한 패턴이 표면에 조각된 그라비아 롤러(22a)를 사용하는 다이렉트 그라비아 인쇄에 의해, 바인더 용액(12)이 집전체(11)에 전사되게 한다. 그라비아 롤러(22a)는, 예를 들어 인쇄 깊이가 약 10μm 내지 30μm(예를 들어, 20μm), 회전축에 대하여 경사진 사선에 따라 폭이 50μm, 피치가 200μm의 복수의 홈을 갖는 것이 바람직하다. 그라비아 롤러(22a)에 형성되는 홈의 패턴은 가로 줄무늬 패턴, 격자 패턴일 수도 있다. 도면에 도시하진 않았지만, 격자 패턴은, 예를 들어 사선을 격자 패턴으로 조합한 패턴일 수 있다. 가로 줄무늬 패턴은, 띠 형상의 집전체(11)의 폭 방향을 따르고, 또한 길이 방향에 따라 미리 정해진 간격으로 바인더 용액(12)이 도포되도록 할 수 있다. 그라비아 롤러(22a)의 홈의 폭이나 피치는 다양하게 변경할 수 있다.
도 1에 도시하는 예에서는, 바인더 용액(12)이 도포되는 처리면(즉, 활물질층이 형성되는 면)을 아래로 향하게 하여, 띠 형상의 집전체(11)를 반송하고, 이러한 상태로 상기 집전체(11)에 그라비아 롤러(22a)를 적용하는 것이 바람직하다. 그라비아 롤러(22a)의 하측은 저류조(22b)에 저장된 바인더 용액(12)에 침지되어 있다. 또한, 그라비아 롤러(22a)가 집전체(11)에 접촉하는 면의 반대 면에는 백킹 롤러(22c)가 적용되어 있다. 이에 의해, 저류조(22b)에 저장된 바인더 용액(12)은 그라비아 롤러(22a)를 통해 집전체(11)에 연속적으로 전사된다. 바인더 용액(12)은 예를 들어 약 1μm 내지 약 10μm의 두께로 집전체(11)에 도포되는 것이 바람직하다.
<<집전체(11)를 반송하는 단계>>
단계 5에서, 바인더 용액(12)이 도포된 집전체(11)가 반송된다. 본 실시형태에서는, 바인더 용액(12)이 도포된 집전체(11)는 반송 장치(21)에 의해 반송 경로를 따라 반송된다.
<<분체(13)를 공급하는 단계>>
단계 6에서, 집전체(11) 상에 조립 입자(13a)의 분체(13)가 공급된다. 여기서, 도 3은 집전체(11) 상에 조립 입자(13a)의 분체(13)가 공급되는 부위의 확대도이다. 본 실시형태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 반송되고 있는 집전체(11)로부터 간극(S1)을 생성하도록 스퀴지 부재(25)가 배치되어 있다. 조립 입자(13a)의 분체(13)는 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)을 향해 안내되면서 집전체(11) 상에 공급된다.
도 1에 도시하는 예에서는, 집전체(11)(띠 형상의 집전박)는 반송 장치(21)의 풀리(21b)에 따라 회전되어, 바인더 용액(12)이 도포된 처리면이 위로 향하도록 반송된다. 집전체(11)의 반송 경로에는, 도 3에 도시한 바와 같이, 공급 장치(23)와, 안내 부재(24)와, 스퀴지 부재(25)와, 프레스 롤러(26, 27)가 배치되어 있다.
<공급 장치(23)>
공급 장치(23)에는 조립 입자(13a)의 분체(13)를 저류하는 호퍼(23a)가 제공된다. 호퍼(23a)는, 도면에 도시하진 않았지만, 조립 입자(13a)의 분체(13)를 공급하는 양을 조정하기 위한 조정 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 이 경우, 호퍼(23a)는, 예를 들어 분체(13)의 배출량을 조정하고, 적당한 양의 분체(13)를 배출하는 것이 바람직하다.
호퍼(23a)는 하부에 배출구(23a1)가 설치되어 있으며, 호퍼(23a)의 배출구(23a1)에는, 도 3에 도시한 바와 같이, 브러시 회전자(23b)와 메쉬(23c)가 부착되어 있다. 도 3에 도시하는 예에서는, 메쉬(23c)는 배출구(23a1)를 덮도록 설치되어 있다. 브러시 회전자(23b)는 메쉬(23c)보다 상부에 배치되어 있다. 브러시 회전자(23b)는 배출구(23a1)를 막으면서, 또한 회전가능하게 구동한다. 분체(13)는 브러시 회전자(23b)에 포획되어, 메쉬(23c)를 통해 배출구(23a1)를 통과한다.
여기서 도면에 도시하진 않았지만, 브러시 회전자(23b)의 회전 속도는 서보모터에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 이것은 브러시 회전자(23b)의 회전 속도를 조정함으로써, 호퍼(23a)의 배출구(23a1)로부터 배출되는 분체(13)의 양을 조정하는 부재이다. 메쉬(23c)는 호퍼(23a)의 배출구(23a1)에서 나오는 조립 입자(13a)의 크기를 조정하는 부재이다. 즉, 메쉬(23c)는 그물망 형상의 부재이며, 분체(13) 중에 조립 입자(13a)의 응집체가 형성된 경우에, 미리 정해진 크기보다 큰 조립 입자(13a)의 응집체가 배출구(23a1)를 통과하는 것을 방지한다. 도 3 및 후술하는 도 4는 예를 들어 도면에서 회전 브러시(23b)나 메쉬(23c)에 비해 조립 입자(13a)를 크게 나타낸 것을 유의한다.
<안내 부재(24)>
안내 부재(24)는 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)을 향하여 안내하면서, 집전체(11) 상에 조립 입자(13a)의 분체(13)를 공급하기 위한 부재이다. 본 실시형태에서, 안내 부재(24)는 호퍼(23a)의 배출구(23a1) 아래에 배치되어 있다. 안내 부재(24)는 배출구(23a1)를 통과한 분체(13)를 수용하여, 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)을 향하여 안내한다. 분체(13)는, 집전체(11)의 반송 방향(A)에서, 상류측에서 볼 때 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)이 가장 좁은 위치(X1)로부터 상류 5cm 이내의 임의의 위치(X2)에 공급되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 분체(13)는 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)이 가장 좁은 위치(X1)로부터 상류 3cm 이내의 임의의 위치(X2)에 공급되는 것이 바람직하다. 여기서, 도면 중의 위치(X1)는 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)이 가장 좁은 위치이다. 위치(X2)는 조립 입자(13a)의 분체(13)가 집전체(11) 상에 공급되는 위치이다.
상술한 안내 부재(24)에 의해, 분체(13)는, 스퀴지 부재(25)에 도입되기 직전까지, 집전체(11)에 접촉하지 않고, 스퀴지 부재(25)에 도입되기 직전에 집전체(11) 상에 공급된다. 이 경우, 집전체(11) 상에는 바인더 용액(12)이 도포되었지만, 분체(13)는 스퀴지 부재(25)에 도입되기 직전에 집전체(11) 상에 공급된다. 이로 인해, 분체(13)의 두께 방향으로 바인더 용액(12)이 침지되지 않은 상태에서 분체(13)가 스퀴지된다. 이 경우, 스퀴지 부재(25)에 의해 제거된 잉여의 분체(13)는 바인더 용액(12)에 침지되지 않고, 여분의 분체(13)는 스퀴지 부재(25)에 의해 원활하게 제거할 수 있다.
반대로, 도면에 도시하진 않았지만, 안내 부재(24)가 제공되지 않는 경우를 설명한다. 이 경우, 분체(13)가 스퀴지 부재(25)에 도입되는 위치로부터 상류 지점에, 바인더 용액(12)이 도포된 집전체(11) 상에 분체(13)가 공급된다. 공급된 분체(13)의 두께 방향으로, 분체(13)가 스퀴지 부재(25)에 도입될 때까지 바인더 용액(12)이 서서히 스며든다. 분체(13)의 두께 방향으로 바인더 용액(12)이 스며든 상태에서 분체(13)가 스퀴지 되면, 스퀴지 부재(25)에 의해 제거되는 잉여의 분체(13)가 스퀴지 부재(25)의 앞쪽에서 스노우볼을 형성하는 것처럼 큰 응집체로 성장할 수 있다. 이렇게 분체(13)가 성장된 응집체가 형성되면, 집전체(11) 상에 공급된 분체(13)가 적절히 스퀴지 부재(25)를 통과할 수 없거나, 분체(13)의 응집체가 집전체(11) 상에 공급된 분체(13)를 박리시킬 수 있다.
여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법에서는, 상술한 안내 부재(24)에 의해, 분체(13)가 스퀴지 부재(25)에 도입되기 직전에 분체(13)가 공급된다. 이로 인해, 잉여의 분체(13)가 원활하게 제거된다. 그리고, 분체(13)가 반송 경로를 따라 스퀴지 부재(25)를 통과하여 집전체(11) 상에 공급된 분체(13)가 적절하게 성형된다.
여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법에서는, 상술한 바와 같이 배출구(23a1)로부터 간극(S1)을 향하여 안내 부재(24)가 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 배출구(23a1)로부터 배출되는 조립 입자(13a)의 분체(13)가, 안내 부재(24) 상에 적재되어, 반송되고 있는 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)에 공급되는 것이 바람직하다.
안내 부재(24)는, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 호퍼(23a)의 배출구(23a1)로부터, 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)을 향하여 높이가 점차 낮아지는 안내면(24a)을 갖는다. 이 경우, 조립 입자(13a)의 분체(13)는 안내면(24a)을 따라 공급된다. 도 4는 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 4에 도시된 예에서는, 안내면(24a)을 진동시키는 바이브레이터(31)가 안내 부재(24)의 뒷면에 부착되어 있다. 이 경우, 호퍼(23a)의 배출구(23a1)로부터 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극(S1)을 향하여 안내면(24a)의 높이가 점차 낮아지고 있다. 이 경우, 바이브레이터(31)에 의해 안내 부재(24)의 안내면(24a)이 진동하기 때문에, 조립 입자(13a)의 분체(13)가 안내면(24a)을 따라 아래쪽으로 이동해 간다. 그리고, 배출구(23a1)로부터 간극(S1)을 향하여 조립 입자(13a)의 분체(13)가 보내진다. 안내 부재(24)는 이에 한정되지 않는다. 안내 부재(24)는 조립 입자(13a)의 분체(13)가 안내면(24a)을 따라 미끄러져 공급되는 것일 수도 있고, 컨베이어처럼, 조립 입자(13a)의 분체(13)를 보내는 부재일 수도 있다.
또한, 스퀴지 부재(25)의 앞쪽에 체류한 분체(13)의 양에 따라, 배출구(23a1)를 통과하는 분체(13)의 양이 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시하는 실시형태에서는, 집전체(11)의 반송 방향(A)으로 스퀴지 부재(25)의 앞쪽에 분체(13)의 양을 측정하는 센서(32)를 설치한다. 그리고, 센서(32)에 의해 측정되는 분체(13)의 높이를 기초하여, 미리 브러시 회전자(23b)의 회전수를 조정하고, 배출구(23a1)를 통과하는 분체(13)의 양을 조정하는 것이 바람직하다. 상술한 센서(32)는, 예를 들어 스퀴지 부재(25)의 앞쪽에 체류하는 분체(13)와의 거리를 측정하는 물체 거리 측정 센서일 수 있다. 이 경우, 분체(13)를 향하여 레이저 빔을 조사하여, 분체(13)의 높이를 측정하는 장치일 수 있다.
<스퀴지 부재(25)>
본 실시형태에서, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 공급 장치(23)의 하류측(집전박의 반송 경로의 하류측)에 스퀴지 부재(25)가 설치되어 있다. 스퀴지 부재(25)는 집전체(11) 상에 공급된 분체(13)의 두께를 조정한다. 예를 들어, 스퀴지 부재(25)와 반송되는 집전체(11)와의 사이에 간극이 있고, 이러한 간극에 따라 통과하는 분체(13)의 두께가 조정된다. 본 실시형태에서, 스퀴지 부재(25)는 원통 형상의 롤러 부재이다. 스퀴지 부재(25)는 블레이드 형상의 부재일 수 있다. 스퀴지 부재(25)와 반송되는 집전체(11)와의 간극은 조립 입자(13a)의 입경 및 단위 면적당 중량(설계 단위 면적당 중량)에 따라 상이할 수 있지만, 예를 들어 약 100μm 내지 약 300μm(바람직하게는, 약 150μm 내지 약 250μm)로 조정하는 것이 바람직하다.
<<분체(13)를 성형하는 단계>>
단계 7에서는, 스퀴지 부재(25)에 의해, 집전체(11) 상에 공급된 조립 입자(13a)의 분체(13)가 성형된다. 여기서는, 집전체(11) 상에 공급된 조립 입자(13a)의 분체(13)가 스퀴지 부재(25)를 통과할 때에 스퀴지된다. 스퀴지 부재(25)는 집전체(11)에 공급된 분체(13)의 두께를 균일하게 한다.
본 실시형태에서, 스퀴지 부재(25)는 원통 형상의 롤러 부재이다. 스퀴지 부재(25)의 외주면은 집전체(11)에 대향하고 있다. 이 경우, 안내 부재(24)는, 롤러 형상의 스퀴지 부재(25)와 집전체(11)와의 간극(S1)까지, 조립 입자(13a)의 분체(13)를 안내하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 집전체(11)의 반송 방향(A)에서, 스퀴지 부재(25)와 집전체(11)와의 간극(S1)이 최소가 되는 위치(X1)에서, 집전체(11)의 법선을 따라, 롤러 형상의 스퀴지 부재(25)를 집전체(11)에 투영시킨 경우에 집전체(11)에 스퀴지 부재(25)가 투영되는 영역에, 조립 입자(13a)의 분체(13)가 공급되는 것이 바람직하다. 즉, 조립 입자(13a)의 분체(13)가 집전체(11) 상에 공급되는 위치(X2)는 집전체(11)에 스퀴지 부재(25)가 투영되는 영역 내로 설정되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 스퀴지 부재(25)는 집전체(11)에 공급된 분체(13)의 두께를 균일하게 하기 쉽다.
본 실시형태에서, 스퀴지 부재(25)는 집전체(11)의 반송 방향과는 반대 방향으로 회전한다. 이에 의해, 스퀴지 부재(25)가 조립 입자(13a)의 분체(13)를 집전체(11) 상에서 반송 장치(21)의 상류측으로 되밀어내면서, 잉여의 분체(13)를 제거할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 단계 7의 후속 공정에서, 스퀴지 부재(25)에 의해 성형된 조립 입자(13a)의 분체(13)는 집전체(11)에 압착되어 있다. 여기서, 분체(13)가 성형된 집전체(11)는 프레스 롤러(26, 27)를 통과한다. 프레스 롤러(26, 27)는 조립 입자(13a)의 분체(13)와 집전체(11) 사이에 끼워진 부재이다. 본 실시형태에서, 프레스 롤러(26, 27)는 회전축을 수평으로 배치하고, 수평 방향으로 그의 외주면이 서로 대향하고 있다. 집전체(11)는 프레스 롤러 중 하나인 프레스 롤러(26)를 따라 반송된다. 스퀴지 부재(25)는 프레스 롤러(26)의 상부에, 집전체(11)로부터 미리 정해진 간극(S1)을 두고 배치되어 있다. 프레스 롤러(26, 27)에는, 스퀴지 부재(25)에 의해 분체(13)가 성형된 집전체(11)가 공급된다.
프레스 롤러(26, 27) 사이의 간극은 집전체(11)에 퇴적시키는 분체(13)의 두께를 고려하여 조정하는 것이 바람직하다. 프레스 롤러(26, 27) 사이를 통과시킴으로써, 적당한 강도로 조립 입자(13a)의 분체(13)가 집전체(11)에 압착된다. 이에 의해, 조립 입자(13a)의 분체(13) 중에서, 바인더(13a2)의 접촉 개소가 증가하고, 조립 입자(13a)에 필요한 밀착력을 얻을 수 있다. 이에 의해, 집전체(11) 상에 활물질 입자(13a1)(도 2 참조)를 포함하는 조립 입자(13a)의 분체(13) 층이 대략 일정한 두께로 형성된다.
이상, 여기서 제안되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법의 다양한 실시형태를 설명했지만, 특히 언급되지 않는 한, 본 발명에 따른 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법은 상술한 실시양태 중 어느 것에 한정되지 않는다.
예를 들어, 집전체(11)를 반송하는 반송 경로의 설정에 대해서, 스퀴지 부재(25) 및 프레스 롤러(26, 27) 등의 배치는 상술한 실시형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 여기서 도면에 도시된 예에서는, 스퀴지 부재(25)는 프레스 롤러(26)의 상부에 배치되어 있다. 그러나, 스퀴지 부재(25)는 프레스 롤러(26) 상부에 배치될 필요는 없다. 프레스 롤러(26, 27)의 외주면은 수평 방향으로 대향하고 있지만, 프레스 롤러(26, 27)는 그 사이에 집전체(11)가 수직으로 끼워지도록 배치될 수도 있다.
여기서 제안되는 제조 방법에 의해 제조되는 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트는 생산성이 우수하다. 여기서 제안되는 제조 방법은 안정된 품질의 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트를 얻을 수 있다. 이로 인해, 양산성과 안정된 성능이 요구되는 이러한 용도에 대해 적합하게 사용된다. 이러한 용도로는, 예를 들어 차량에 탑재되는 전기 모터용 동력원(구동용 전원)을 들 수 있다. 차량의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 플러그인 하이브리드 자동차(PHV), 하이브리드 자동차(HV), 전기 화물 자동차, 소형 오토바이, 동력 보조 자전거, 전동 휠체어, 전기 철도 등을 들 수 있다. 또한, 이러한 리튬 이온 이차 전지는 복수개를 서로 직렬 및/또는 병렬로 접속한 조전지의 형태로 사용될 수 있다.
10 제조 장치
11 집전체
12 바인더 용액
13 분체
13a 조립 입자
13a1 활물질 입자
13a2 바인더
21 반송 장치
21a, 21c 롤
21b 풀리
22 도포 장치
22a 그라비아 롤러
22b 저류조
22c 백킹 롤러
23 공급 장치
23a 호퍼
23a1 배출구
23b 브러시 회전자
23c 메쉬
24 안내 부재
24a 안내면
25 스퀴지 부재
26, 27 프레스 롤러
31 바이브레이터
32 센서
S1 집전체(11)와 스퀴지 부재(25)와의 간극
X1 간극(S1)이 가장 좁은 위치
X2 조립 입자(13a)의 분체(13)가 집전체(11) 상에 공급되는 위치

Claims (7)

  1. 띠 형상의 집전체를 준비하는 단계와,
    활물질 입자와 제1 바인더를 포함하는 조립 입자의 분체를 준비하는 단계와,
    제2 바인더를 용매 중에 포함하는 바인더 용액을 준비하는 단계와,
    상기 집전체에 상기 바인더 용액을 도포하는 단계와,
    상기 바인더 용액이 도포된 상기 집전체를 반송하는 단계와,
    반송되고 있는 상기 집전체에 대하여 간극을 생성하여 스퀴지 부재가 배치되어 있고, 상기 조립 입자의 분체를 안내 부재에 적재하여 상기 간극을 향하여 안내하면서, 반송 방향의 상류측에서 볼 때 상기 집전체와 상기 스퀴지 부재와의 간극이 가장 좁은 위치로부터 상류 5cm 이내의 임의의 위치에, 상기 집전체 상에 상기 조립 입자의 분체를 공급하는 단계와,
    상기 스퀴지 부재를 사용함으로써, 상기 집전체 상에 공급된 상기 조립 입자의 분체를 성형하는 단계
    를 포함하는, 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법.
  2. 띠 형상의 집전체를 준비하는 단계와,
    활물질 입자와 제1 바인더를 포함하는 조립 입자의 분체를 준비하는 단계와,
    제2 바인더를 용매 중에 포함하는 바인더 용액을 준비하는 단계와,
    상기 집전체에 상기 바인더 용액을 도포하는 단계와,
    상기 바인더 용액이 도포된 상기 집전체를 반송하는 단계와,
    반송되고 있는 상기 집전체에 대하여 간극을 생성하여 스퀴지 부재가 배치되어 있고, 상기 간극을 향하여 상기 조립 입자의 분체를 안내하면서, 상기 집전체 상에 상기 조립 입자의 분체를 공급하는 단계와,
    상기 스퀴지 부재를 사용함으로써, 상기 집전체 상에 공급된 상기 조립 입자의 분체를 성형하는 단계를 포함하고,
    상기 조립 입자의 분체를 공급하는 단계에서,
    상기 조립 입자의 분체는, 상기 조립 입자의 분체가 배출되는 배출구를 구비한 용기에 수용되어 있으며,
    상기 배출구로부터 상기 간극을 향하여 안내 부재가 배치되어 있으며,
    상기 배출구로부터 배출되는 상기 조립 입자의 분체가, 상기 안내 부재 상에 적재되어 반송되고 있는 상기 집전체와 상기 스퀴지 부재와의 간극에 공급되는, 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조립 입자의 분체를 공급하는 단계에서,
    상기 안내 부재는, 상기 배출구로부터 상기 간극을 향하여 높이가 서서히 낮아지는 안내면을 가지며, 상기 안내면에 따라 상기 조립 입자의 분체가 공급되는, 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 안내면을 진동시킴으로써 상기 배출구로부터 상기 간극을 향하여 상기 조립 입자의 분체가 이동되는, 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퀴지 부재의 앞쪽에 체류한 분체의 양에 따라, 상기 배출구를 통과하는 분체의 양이 조정되는, 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퀴지 부재는 원통 형상의 롤러 부재이며, 상기 집전체에 외주면이 대향하도록 배치되어 있고,
    상기 안내 부재는 상기 롤러 부재와 상기 집전체의 간극까지 상기 조립 입자의 분체를 안내하는, 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조립 입자는, 적어도 상기 활물질 입자와 상기 제1 바인더를 포함하는 하나의 덩어리의 입자인, 리튬 이온 이차 전지용 전극 시트의 제조 방법.
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