KR102042755B1 - 리튬-황 전지용 전극의 건조장치 및 건조방법 - Google Patents

리튬-황 전지용 전극의 건조장치 및 건조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집전체 및 상기 집전체에 코팅되고, 황을 포함하는 전극 활물질 및 용매를 포함하는 전극 활물질 슬러리층을 구비하는 전극 시트를 건조하는 리튬-황 전지용 전극의 건조장치로서, 상기 전극 시트의 양면 각각에 위치할 수 있도록 배치된 2 이상의 중적외선 램프; 상기 중적외선 램프들의 전원 및 출력을 조절하는 제어부; 및 상기 전극 시트의 표면 온도를 측정하는 온도계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극의 건조장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 리튬-황 전지용 전극의 건조 공정 시, 중적외선을 열원으로 적용하여, 전극 내에 트래핑되는 용매의 양을 감소시켜, 보다 균일한 건조가 가능함과 동시에, 황이 소실되는 것을 막아 전극의 특성 저하를 방지할 수 있다.

Description

리튬-황 전지용 전극의 건조장치{Apparatus for drying electrode for lithium-sulfur battery}
본 발명은 리튬-황 전지용 전극의 건조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬-황 전지용 전극의 건조 공정 시, 중적외선을 열원으로 적용하여 황이 열에 의해 휘발되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극의 건조장치에 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, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지가 주로 연구, 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 전극 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 이차전지용 전극은 전극 집전체에 전극 활물질, 도전재 및 바인더 등을 유기용매에 혼합한 슬러리 형태의 전극 합제를 도포하고 건조 후 프레스하여 제조된다. 상기 구조에서, 전극 내부의 바인더는 활물질과 도전재, 또는 활물질과 활물질 사이의 접착력을 제공할 뿐만 아니라, 집전체와 활물질, 또는 집전체와 도전재 사이의 접착력도 제공한다.
현재, 리튬 이차전지 시장은 양극에서 코발트산 리튬(lithium cobalt oxide) LiCoO2 및 음극에서 그라파이트의 짝지움(pairing)에 기초한 기술에 의해 지배된다. 이러한 전지의 정격 전압은 대부분의 다른 유형의 전지(Ni-Cd, Ni-MH, 등)가 1.5V인 것에 비해 약 3.6V의 수준이다. 체적 및 질량 에너지 밀도는 각각 약 300-500Wh/l과 160-200Wh/kg이다. 이 값은 현재 시판되는 모든 전지들 중에서 가장 높은 값이다. 또한, 이 전지는 낮은 자기방전(self-discharge) 및 긴 수명(500 또는 1000 사이클)을 가진다. 이러한 놀라운 성능 달성에도 불구하고, 모든 현재의 리튬 이온 전지는 성능 면에서 평준화되고 있고, 개선 전망은 제한적인 것으로 간주되고 있다. 이에 따라 황에 기초한 리튬전지가 제안되어 있다.
이에 따라 리튬-황(Li-S) 전지는 알려진 리튬 이온 전지에 대한 대안으로서, 각광을 받으며 떠오르고 있다.
리튬-황 전지는 기존의 리튬이온 이차전지와 마찬가지로 양극과 음극 사이에 개재된 전해질 내에서 이동하는 리튬이온에 의해 작동된다. 하지만, 리튬-황 전지는 간단한 유황만을 이용하기 때문에, 리튬이온이 전극 활물질의 분자 사이에 끼어들어 가게 되어 전극구조를 변형시켜 에너지를 저장하는 기존 리튬이온 이차전지의 반응과는 달리 유황과 리튬이온 간의 산화, 환원반응을 기반으로 동작하게 된다. 따라서, 리튬-황 전지는 기존의 리튬이온 이차전지에 비해 전극구조가 제한되지 않고 이론적으로 같은 부피에서 더 큰 용량을 가질 수 있다. 이러한 특성으로 인하여 양극인 유황과 음극인 리튬 금속으로 구성된 리튬-황 전지에서 고리구조를 가진 단량체 황(S8)이 리튬폴리설파이드(Li2S)까지 완전히 반응한다고 가정할 경우 이론용량이 1,675mAh/g을 나타내게 되며, 이론 에너지 밀도가 2,600Wh/kg으로서 기존의 연구된 다른 전지 시스템(Ni/MH 전지: 450Wh/kg, Li/FeS: 480Wh/kg, Li/MnO2: 1,000Wh/kg, Na/S: 800Wh/kg)에 비하여 3배 내지 6배 이상 높은 장점을 가진다.
한편, 기존의 전이금속 산화물 기반 리튬이온 이차전지는 양극에 중금속의 밀도(5g/mL 이상의 금속)보다 더 높은 밀도를 가지는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)의 산화물이 사용되기 때문에 중금속 오염원 물질을 포함한 전지라고 평가할 수 있다. 하지만, 리튬-황 전지는 이러한 오염원 물질이 배제되어 있으며 무독성의 재료를 사용하기 때문에 친환경적이라고 할 수 있다. 또한, 양극 재료인 유황은 자원이 풍부하여 가격적인 면에서 저렴하다는 장점을 가지고 있다.
한편, 용매 비용 절감, 인체의 무해함, 환경 친화성 등의 장점들로 인해 리튬-황 전지를 포함하는 리튬 이차전지 중, 일부의 전극을 수계 슬러리를 이용하여 제조하면서, 컨벡션 오븐(Convection Oven)으로 건조하는 방식을 사용한다. 그러나 수계 슬러리의 경우, 용매인 물이 전극 내부에 트래핑(trapping)되는 성질이 있어서 기타 유기용매보다 건조에 어려움이 있기 때문에, 전극의 건조율을 높이기 위하여 일반적으로 고온(100 ℃ 이상) 또는 진공 분위기에서, 최소 2 시간 이상의 장시간 건조를 하고 있으나, 황을 포함하는 리튬-황 전지용 전극은 비교적 낮은 온도에서 휘발되는 황의 특성 때문에, 전극 건조의 조건이 더욱 제한되어 문제가 되고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬-황 전지용 전극의 건조 공정 시, 황 성분이 휘발되는 것을 막아, 전극의 특성 저하를 방지할 수 있는 리튬-황 전지용 전극의 건조장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 집전체 및 상기 집전체에 코팅되고, 황을 포함하는 전극 활물질 및 용매를 포함하는 전극 활물질 슬러리층을 구비하는 전극 시트를 건조하는 리튬-황 전지용 전극의 건조장치로서, 상기 전극 시트의 양면 각각에 위치할 수 있도록 배치된 2 이상의 중적외선 램프; 상기 중적외선 램프들의 전원 및 출력을 조절하는 제어부; 및 상기 전극 시트의 표면 온도를 측정하는 온도계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극의 건조장치가 제공된다.
여기서, 상기 중적외선 램프에서 조사되는 중적외선의 파장은, 상기 용매의 중적외선 흡수율이 최대가 되는 파장일 수 있다.
그리고, 상기 중적외선 램프에서 조사되는 중적외선의 파장은, 2 내지 4 ㎛일 수 있다.
상기 중적외선 램프는, 상기 리튬-황 전지용 전극의 건조장치에 탈부착이 가능한 모듈형 중적외선 램프일 수 있다.
그리고, 상기 중적외선 램프는, 카본 히터일 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 중적외선 램프 각각에 대해 전원 개폐 및 출력을 개별적으로 조절하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 리튬-황 전지용 전극의 건조장치는, 상기 중적외선 램프에 근접하여 위치하는 내부 온도 감지기를 더 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 내부 온도 감지기는, 열전대(thermocouple)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 리튬-황 전지용 전극의 건조 공정 시, 중적외선을 열원으로 적용하여, 전극 내에 트래핑되는 용매의 양을 감소시켜, 보다 균일한 건조가 가능함과 동시에, 황이 소실되는 것을 막아 전극의 특성 저하를 방지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극의 건조장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극의 건조장치를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 집전체 및 상기 집전체에 코팅되고, 황을 포함하는 전극 활물질 및 용매를 포함하는 전극 활물질 슬러리층을 구비하는 전극 시트를 건조하는 리튬-황 전지용 전극의 건조장치로서, 상기 전극 시트의 양면 각각에 위치할 수 있도록 배치된 2 이상의 중적외선 램프; 상기 중적외선 램프들의 전원 및 출력을 조절하는 제어부; 및 상기 전극 시트의 표면 온도를 측정하는 온도계;를 포함한다.
리튬-황 전지를 포함하는 리튬 이차전지에 사용되는 일반적인 전극을 제조함에 있어서, 전극의 건조장치로 컨벡션 오븐을 사용한다. 그런데, 이때 전극활물질층 내부에 용매가 트래핑(trapping)됨으로써, 전극의 건조가 균일하게 일어나지 않게 될 수 있다. 따라서, 전극의 건조율을 높이기 위해, 고온(100 ℃ 이상) 또는 진공 분위기에서, 최소 2 시간 이상의 장시간 건조를 하고 있으나, 황을 포함하는 리튬-황 전지용 전극의 경우, 컨벡션 오븐에서 100 ℃를 초과하는 고온으로 건조를 하게 되면, 황이 휘발하게 되는 문제가 있어, 종래의 컨벡션 오븐은 건조장치로 적절하지 못하였다.
그러나, 본원의 건조장치는 열원으로 중적외선을 사용하는데, 이러한 중적외선은, 전극 활물질 슬러리층의 두께방향으로 침투하기 때문에, 표면뿐만 아니라, 내부에 존재하는 잔류 용매 및 잔류 수분과 직접적으로 충돌하여 순간적으로 상기 용매 또는 수분을 기화시키는 역할을 한다. 따라서 전극의 표면과 내부에서 동시에 증발이 일어나기 때문에, 종래 컨벡션 오븐에서 건조되는 대류 방식으로는 불가능했던 범위까지 용매 또는 수분의 제거가 가능하고, 특히, 전극의 온도를 100 ℃ 이하로 유지시키면서, 건조시간은 1시간 이하로 설정하여, 전극에 포함된 황 성분이 소실되지 않도록 한다는 점에서 효과가 있다.
나아가, 전극 시트의 양면 각각에 위치할 수 있도록 중적외선 램프들이 배치되어 있기 때문에, 집전체의 양면에 전극 활물질 슬러리층이 코팅되어 있는 경우라도, 양면을 동시에 건조시킬 수 있다.
또한, 전극 시트의 일측 및 타측 각각에, 2개 이상의 중적외선 램프들이 배치되어 있을 수 있는데, 이 경우, 상기 전극 시트를 더욱 세분하여 온도 또는 수분량을 조절할 수 있으므로, 더욱 균일하고 정밀한 건조가 가능하다.
나아가, 상기 중적외선 램프는, 상기 리튬-황 전지용 전극의 건조장치에 탈부착이 가능한 모듈형 중적외선 램프일 수 있는데, 이로써 중적외선 램프의 수량 조절 및 교환이 용이하고, 상기 램프의 종류를 사용자의 필요에 따라 쉽게 변경할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 상기 중적외선 램프는, 카본 히터를 사용하는 것일 수 있는데, 사용함에 있어 전력 소모가 비교적 적고, LED 램프 대비 가격이 저렴하다는 장점이 있으며, 균일한 중적외선의 조사가 이루어진다는 점에서 유리하다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 중적외선 램프 각각에 대해 전원 개폐 및 출력을 개별적으로 조절하는 것일 수 있다. 이로써, 건조시켜야 할 전극 시트의 양 및 특성에 따라 각각의 중적외선 램프를 켜거나 끌 수 있고, 각각의 중적외선 램프의 출력을 조절하므로써, 효율적인 전극의 건조가 가능하며, 전극 시트의 표면 온도 조절이 용이하다.
상기 중적외선 램프에서 조사되는 중적외선의 파장은, 상기 용매의 중적외선 흡수율이 최대가 되는 파장일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 4 ㎛일 수 있다.
이때, 상기 전극 시트의 표면 온도는 중적외선 램프의 출력 조절을 통해 제어할 수 있는데, 여기서, 중적외선 램프(Lamp)의 출력이란, 중적외선 램프의 전기적 출력, 즉 1 내지 3 ㎛ 범위의 파장을 내는 램프의 전기적 출력을 의미하는 것으로서, 100 %는 1 kW/Lamp를 나타낸다.
한편, 상기 리튬-황 전지용 전극의 건조장치는, 상기 중적외선 램프에 근접하여 위치하는 내부 온도 감지기를 더 포함할 수 있다. 이로써, 전극의 건조 공정 중, 오븐 내부의 온도의 변화를 실시간으로 확인할 수 있다. 이때, 상기 내부 온도 감지기는, 열전대(thermocouple)일 수 있다.
한편, 상기 전극활물질 슬러리에 사용되는 용매로는, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 이소프로필알코올, 아세톤, 디메틸 아세트아미드, 디메틸 포름알데히드, 디메틸 포름아마이드 등의 유기용매가 사용될 수도 있으나, 용매 비용 절감, 인체의 무해함, 환경 친화성 등의 장점들로 인해 물을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 집전체로는 스테인레스스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 도전성 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 탄소가 코팅된 알루미늄 집전체를 사용하면 더욱 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
탄소가 코팅된 알루미늄 기판을 사용하는 것이 탄소가 코팅되지 않은 것에 비해 활물질에 대한 접착력이 우수하고, 접촉 저항이 낮으며, 알루미늄의 폴리설파이드에 의한 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 전극 활물질 슬러리층은, 도전재 및 바인더를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 도전재는, 전극 활물질인 황과 함께 전자가 전극 활물질 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 물질이다. 도전재는 탄소 원료 물질로서 케첸 블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), Super-p, 카본 블랙, 탄소 나노튜브(carbon nanotubes), 탄소 나노섬유(carbon nanofibers) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있고, 전도성 고분자 물질로서 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, PEDOT:PSS 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 바인더는, 전극 활물질인 황을 집전체에 부착시키는 역할을 한다. 바인더는 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌 옥사이드, 가교 결합된 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 에테르, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴 플루오라이드의 코폴리머(상품명: Kynar), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 이들의 유도체, 이들의 조합 또는 코폴리머 등이 사용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 리튬-황 전지용 전극의 건조 방법으로서,
    집전체 및 상기 집전체에 코팅되고, 유황 및 용매를 포함하는 전극 활물질 슬러리층을 제공하는 단계; 및
    상기 슬러리층이 구비된 전극 시트를 건조하는 단계;를 포함하고,
    상기 집전체는 탄소가 코팅된 알루미늄 집전체이며,
    상기 용매는 물이며,
    상기 전극활물질 슬러리층에 도전재가 포함되되, 상기 도전재는 케첸블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), Super-p, 카본 블랙, 탄소 나노튜브(carbon nanotubes), 탄소 나노섬유(carbon nanofibers) 또는 이들의 조합 또는 케첸블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), Super-p, 카본 블랙, 탄소 나노튜브(carbon nanotubes), 탄소 나노섬유(carbon nanofibers) 또는 이들의 조합이며,
    상기 건조하는 단계에서, 상기 전극 시트의 양면 각각에 위치할 수 있도록 배치된 2 이상의 중적외선 램프; 상기 중적외선 램프들의 전원 및 출력을 조절하는 제어부; 및 상기 전극 시트의 표면 온도를 측정하는 온도계;를 포함하는 건조 장치에 의해 상기 전극 활물질 슬러리층을 구비하는 전극 시트를 건조하며, 이 때 상기 중적외선 램프는 카본 히터이고, 상기 중적외선의 파장은 2 내지 4 ㎛이고, 상기 중적외선이 전극 활물질 슬러리층의 두께 방향으로 침투하여 상기 전극 활물질 슬러리층의 표면 및 내부에 존재하는 잔류 수분과 직접적으로 충돌하여 상기 수분을 기화시키고,
    상기 유황 성분의 휘발이 방지되도록 전극의 온도를 100 ℃ 이하로 유지하고 건조시간은 1시간 이하로 하는 것을 특징으로 하는
    리튬-황 전지용 전극의 건조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 집전체 및 상기 집전체에 코팅되고, 유황 및 용매를 포함하는 전극 활물질 슬러리층을 구비하는 전극 시트를 건조하는 리튬-황 전지용 전극의 건조 장치로서,
    상기 전극 시트의 양면 각각에 위치할 수 있도록 배치된 2 이상의 중적외선 램프;
    상기 중적외선 램프들의 전원 및 출력을 조절하는 제어부; 및
    상기 전극 시트의 표면 온도를 측정하는 온도계;를 포함하고,
    상기 용매는 물이고,
    상기 중적외선 램프는, 상기 리튬-황 전지용 전극의 건조장치에 탈부착이 가능한 모듈형 중적외선 램프이고,
    상기 중적외선 램프는 카본 히터이고
    상기 중적외선 램프는 2 내지 4 ㎛의 파장을 가지며,
    상기 제어부는, 상기 중적외선 램프 각각에 대해 전원 개폐 및 출력이 개별적으로 조절되고,
    상기 중적외선 램프에 근접하여 위치하는 내부 온도 감지기를 더 포함하며,
    상기 내부 온도 감지기는 열전대인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극의 건조장치.
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