KR102099656B1 - 리튬 이온 커패시터용 전극의 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

리튬 이온 커패시터용 전극의 제조 장치 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전극 시트 상의 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하는 시간을 큰 폭으로 단축한다. 전극 시트를 반출입 가능한 처리실(200)과, 처리실 내로 희가스를 도입하기 위한 희가스 공급부(230)와, 처리실 내를 배기하여 소정의 진공 압력으로 하는 배기 장치(220)와, 처리실 내로 반입되는 전극 시트(W)의 탄소 재료(C) 상에, 리튬 함유 분말을 용융시키면서 분사하여 리튬의 박막을 성막함으로써, 리튬 이온을 도핑하는 리튬 용사부(210)를 설치했다.

Description

리튬 이온 커패시터용 전극의 제조 장치 및 제조 방법{ELECTRODE MANUFACTURING APPARATUS FOR LITHIUM ION CAPACITOR AND ELECTRODE MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은, 리튬 이온 커패시터용 전극의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지 등의 리튬 이온 커패시터의 전극을 제조하는 공정에는, 전극 재료에 미리 리튬 이온을 도핑시키는 프리 도핑 공정이 있다. 예를 들면 리튬 이온 이차 전지의 음전극(애노드)을 제조할 시에는, 전극 재료로서 이용되는 활성 탄소 등의 탄소 재료에 리튬 이온을 도핑시키고 있다.
이러한 리튬의 도핑 공정으로서는, 종래, 리튬 이온을 포함하는 전해액이 채워진 도핑조 내에, 탄소 재료를 침지시킴으로써 그 탄소 재료에 리튬 이온을 도핑시키도록 하고 있었다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1 참조).
일본특허공개공보 평09-022690호
그러나, 이러한 종래의 리튬 도핑 공정에서는, 탄소 재료 전체에 균일하게 리튬 이온이 도핑되기까지 수일간이라고 하는 매우 긴 시간이 걸린다. 이러한 리튬 도핑 공정은 리튬 이온 커패시터의 생산 효율을 저하시키는 큰 요인이 되고 있다.
따라서 본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 점은, 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하는 시간을 큰 폭으로 단축할 수 있는 전극 제조 장치 등을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명이 한 관점에 따르면, 전극 시트 상의 전극 재료(예를 들면 탄소 재료)에 리튬 이온을 도핑하여 리튬 이온 커패시터용 전극을 제조하는 전극 제조 장치로서, 상기 전극 시트를 반출입 가능한 처리실과, 상기 처리실 내로 희가스를 도입하기 위한 희가스 공급부와, 상기 처리실 내를 배기하여 소정의 진공 압력으로 하는 배기 장치와, 상기 처리실 내로 반입되는 상기 전극 시트의 전극 재료 상에, 리튬 함유 분말을 용융시키면서 분사하여 리튬의 박막을 성막함으로써, 상기 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하는 리튬 용사부를 구비한 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치가 제공된다.
이러한 리튬 용사부는, 예를 들면 상기 전극 시트의 전극 재료를 향해 상기 리튬 함유 분말을 분출하는 리튬 함유 분말 공급부와, 상기 리튬 함유 분말 공급부로부터 분출된 리튬 함유 분말을 용해하는 가열 가스를 공급하는 가열 가스 공급부를 구비하여 구성할 수 있다.
이 경우, 상기 리튬 함유 분말 공급부는 상기 전극 재료에 대하여 수직으로 배치되고, 상기 가열 가스 공급부는 상기 리튬 함유 분말 공급부에 대하여 경사져, 상기 리튬 함유 분말 공급부의 분말 분출구와 상기 전극 재료측의 사이에 상기 가열 가스가 분출되도록 배치되도록 해도 된다.
또한, 상기 전극 시트는 롤 형상으로 하고, 상기 처리실의 양측에 상기 전극 시트의 수용실을 각각 설치하여 이들을 연통시켜, 상기 전극 시트를 일방의 수용실로부터 풀고, 상기 처리실 내를 통과하여 타방의 수용실에서 감도록 구성하고, 상기 리튬 용사부는, 상기 전극 시트가 풀려 상기 처리실 내를 통과할 시, 그 전극 재료 상에 리튬의 박막을 성막하도록 해도 된다.
또한, 상기 리튬 함유 분말 공급부는 상기 전극 시트의 폭 방향으로 연장되고, 상기 전극 재료에 대하여 수직으로 배치된 판상(板狀) 부재에, 상기 리튬 함유 분말을 공급하기 위한 복수의 홀부를 상기 전극 시트의 폭 방향으로 나란히 형성하여 이루어지고, 상기 가열 가스 공급부는, 상기 리튬 함유 분말 공급부의 각 홀부에 대하여 각각, 1 개의 홀부에 대하여 상기 전극 시트의 길이 방향의 양측에 2 개의 가열 가스 공급부를 대칭으로 배치하도록 해도 된다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 전극 시트 상의 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하여 리튬 이온 커패시터용 전극을 제조하는 전극 제조 방법으로서, 상기 전극 시트를 반출입 가능한 처리실 내를 희가스 분위기로 하여 감압하고, 상기 처리실 내로 반입되는 상기 전극 시트의 전극 재료 상에, 리튬 함유 분말을 용융시키면서 분사하여 리튬의 박막을 성막함으로써, 상기 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 처리실 내로 반입되는 전극 시트의 전극 재료 상에 리튬 함유 분말을 용융시키면서 분사하여, 희가스 분위기 중에서 리튬의 박막을 성막함으로써, 전극 재료에 리튬 이온을 도핑함으로써, 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하는 시간을 큰 폭으로 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극 제조 장치의 구성예를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전극 제조 장치의 상면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 처리실을 도 2에 도시한 A-A 단면으로 절단한 경우의 단면 사시도이다.
도 4는 동일 실시예에 따른 전극 제조 처리의 구체예를 나타낸 순서도이다.
도 5는 동일 실시예에서의 리튬 함유 분말 공급부에, 가진기 부착의 호퍼를 설치한 경우를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 동일 실시예에서의 리튬 함유 분말 공급부에, 교반기 부착의 호퍼를 설치한 경우를 설명하기 위한 단면도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또한 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.
(리튬 이온 커패시터용 전극 제조 장치의 구성예)
우선, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이온 커패시터용 전극 제조 장치(이하, '전극 제조 장치'라고 칭함)에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 여기서는, 리튬 이온 이차 전지 등의 리튬 이온 커패시터에 이용되는 음전극(애노드)을 제조하기 위한 공정으로서, 전극 시트 상의 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하는 공정을 실시하기 위한 전극 제조 장치(도핑 장치)를 예로 든다.
도 1은 본 실시예에 따른 전극 제조 장치의 개략 구성을 도시한 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시한 전극 제조 장치의 상면도이다. 도 1은, 도 2의 A-A 단면으로 절단한 경우의 종단면도이다. 도 3은, 도 1에 도시한 처리실의 단면 사시도이다.
본 실시예에 따른 전극 제조 장치(100)는, 롤 형상의 전극 시트를 풀고 감으면서, 진공 배기하면서 희가스 분위기로 한 처리실 내에서, 그 전극 시트 상에 형성된 전극 재료 상에 리튬을 용사에 의해 성막할 수 있도록 구성된다. 이에 의해, 전극 재료 상에 용사에 의해 리튬의 박막을 성막함으로써, 전극 재료에 리튬 이온을 도핑할 수 있다. 여기서는 전극 시트의 전극 재료로서 활성탄 등의 탄소 재료를 예로 든다.
구체적으로 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 전극 제조 장치(100)는, 롤 형상의 전극 시트(W)를 수용하는 풀림측의 수용실(110A)과, 이 수용실(110A)로부터 이간되어 설치된 감김측의 수용실(110B)과, 이들 수용실(110A, 110B)의 사이에 설치되는 처리실(200)을 구비한다. 이들 수용실(110A, 110B), 처리실(200)은 각각, 스테인리스 또는 알루미늄 등의 금속으로 이루어지는 기밀의 하우징에 의해 구성된다. 또한 각 수용실(110A, 110B)에는, 예를 들면 그 전면(前面)에 덮개부 또는 도어부 등으로 폐색 가능한 개구부를 형성하여, 전극 시트(W)를 출입할 수 있도록 해도 된다.
처리실(200)과 풀림측 수용실(110A)의 사이에는 연통구(GA)에 의해 연통되어 있다. 풀림측 수용실(110A)로부터 풀린 롤 형상 전극 시트(W)는, 이 연통구(GA)를 거쳐 처리실(200) 내로 반입되도록 되어 있다.
처리실(200)과 감김측 수용실(110B)의 사이는 연통구(GB)에 의해 연통되어 있다. 처리실(200)에서 처리된 전극 시트(W)는, 이 연통구(GB)를 거쳐 처리실(200)로부터 감김측의 수용실(110B)로 반출되고, 감김측의 수용실(110B) 내에서 감기도록 되어 있다. 이와 같이 처리 완료된 전극 시트(W)를 감을 시에는, 그 처리면을 박리성을 가지는 수지(예를 들면 수지 필름)로 피복하면서 감도록 해도 된다.
또한 처리실(200)과 각 수용실(110A, 110B)의 사이에는, 각 연통구(GA, GB)의 주위를 둘러싸는 O 링 등의 씰 부재(SA, SB)가 설치되어, 씰링되어 있다.
수용실(110A, 110B)에는 각각, 이들의 내부를 진공 배기하는 배기 장치(120A, 120B)를 접속하는 배기구(122A, 122B)가 형성되어 있다. 처리실(200)에는 그 내부를 진공 배기하는 배기 장치(220)를 접속하는 배기구(222)가 형성되어 있다. 이들 배기 장치(120A, 120B, 220)는 진공 펌프 등으로 이루어지고, 각각 별도로 설치되어 있다.
이러한 각 배기 장치(120A, 120B, 220)에 의해, 수용실(110A, 110B), 처리실(200)의 내부 압력을 개별로 각각 조정할 수 있다. 이에 의하면 수용실(110A, 110B) 내와 처리실(200) 내의 사이에서 압력차를 일으킬 수도 있다. 예를 들면 각 수용실(110A, 110B)의 내부 분위기가 파티클 등과 함께 연통구(GA, GB)를 통하여 처리실(200) 내로 진입하지 않도록 하고자 할 경우에는, 수용실(110A, 110B) 내의 압력을 처리실(200) 내의 압력보다 낮아지도록 조정하면 된다. 또한 수용실(110A, 110B)의 배기 장치(120A, 120B)는 반드시 개별로 설치할 필요는 없고, 공통의 1 개의 배기 장치를 설치하도록 해도 된다.
풀림측 수용실(110A)은 풀림 축(112A)을 구비하고, 감김측 수용실(110B)은 감김 축(112B)을 구비한다. 풀림 축(112A)에 롤 형상의 전극 시트(W)를 세팅할 시에는, 예를 들면 롤 형상의 전극 시트(W)의 중심을 풀림 축(112A)에 삽입함으로써 지지되도록 구성할 수 있다.
풀림 축(112A), 감김 축(112B)은 각각, 각 수용실(110A, 110B)에서 회전 가능하게 지지되어 있다. 이 경우, 풀림 축(112A), 감김 축(112B)은 편측 지지여도, 양측 지지여도 된다. 풀림 축(112A), 감김 축(112B)은 각각, 도 2에 도시한 바와 같이 각 수용실(110A, 110B)의 외측에 설치된 모터(114A, 114B)에 접속된다. 풀림 축(112A), 감김 축(112B)은 각각, 이들 모터(114A, 114B)에 의해 정회전도 역회전(반전)도 할 수 있도록 되어 있다. 이에 의해, 전극 시트(W)를 풀림 축(112A)으로부터 감김 축(112B)으로 반송하는 도 1에 도시한 화살표의 반송 방향뿐 아니라, 도 1의 화살표와는 반대의 방향, 즉 감김 축(112B)으로부터 풀림 축(112A)으로 반송할 수도 있다.
각 수용실(110A, 110B)에는 전극 시트(W)를 반송하는 가이드 롤러(102A, 102B)가 설치되어 있고, 처리실(200)에도 각 수용실(110A, 110B)쪽에 각각 전극 시트(W)를 반송하는 가이드 롤러(202A, 202B)가 설치되어 있다. 풀림 축(112A)에 세팅된 전극 시트(W)는, 연통구(GA, GB)를 통하여 감김 축(112B)까지, 상기 복수의 가이드 롤러(102A, 202A, 202B, 102B)를 개재하여 걸쳐져 있다. 또한 가이드 롤러의 수 또는 배치는 도시하는 것에 한정되지 않는다. 또한, 가이드 롤러뿐 아니라, 전극 시트(W)의 텐션을 조정하기 위한 텐션 롤러를 설치하도록 해도 된다.
처리실(200)에는 그 천장부에, 처리실(200) 내로 반입되는 전극 시트(W)의 전극 재료로서의 탄소 재료(C) 상에, 리튬을 포함하는 리튬 함유 분말(리튬 파우더 등)을 용융시키면서 리튬의 박막을 성막함으로써, 탄소 재료(C)에 리튬 이온을 도핑시키는 리튬 용사부(210)를 설치하고 있다.
리튬 용사부(210)는 도 3에 도시한 바와 같이, 전극 시트(W)의 탄소 재료(C)를 향해 리튬 함유 분말을 분출하여 공급하는 리튬 함유 분말 공급부(250)와, 리튬 함유 분말 공급부(250)로부터 분출된 리튬 함유 분말을 용융하는 가열 가스(소정의 온도로 가열한 아르곤 등의 희가스 등)를 공급함으로써 리튬 함유 분말을 용융하는 가열 가스 공급부(260)를 구비한다.
리튬 함유 분말 공급부(250)는 상기 전극 시트의 폭 방향으로 연장되고, 전극 시트(W)에 대하여 수직으로 배치한 대략 판상의 부재이며, 그 판상 부재의 종 방향(상하 방향)으로, 리튬 함유 분말을 공급하는 복수의 홀부(252)를 형성하여 구성된다. 각 홀부(252)는 리튬 함유 분말 공급부(250)의 하단까지 관통하고, 하단의 분말 분출구(254)로부터 리튬 함유 분말이 분출되도록 되어 있다. 각 홀부(252)의 기단측의 측부에는 리튬 함유 분말의 캐리어 가스로서 아르곤 가스 등의 희가스를 도입하는 가스 도입구(256)가 형성되어 있다.
복수의 홀부(252)는 도 2에 도시한 바와 같이, 전극 시트(W)의 폭 방향으로 등간격으로 배열되도록 형성된다. 또한 홀부(252)의 수 또는 배치 간격은, 전극 시트(W)의 탄소 재료의 폭 방향(반송 방향에 수직인 방향)에 빠짐없이 리튬의 박막이 성막되도록 결정하는 것이 바람직하다. 도 2에서는, 5 개의 홀부(252)를 구비한 리튬 함유 분말 공급부(250)를 예로 들고 있지만, 이에 한정되지 않고, 홀부(252)는 4 개 이하여도 되고, 또한 6 개 이상 형성해도 된다.
이러한 리튬 함유 분말 공급부(250)에 의하면, 가스 도입구(256)로부터 아르곤 가스를 도입함으로써, 각 홀부(252)를 통과하는 리튬 함유 분말은, 하단의 분말 분출구(254)로부터 분출되고, 전극 시트(W)의 탄소 재료(C) 상에 분사된다. 가스 도입구(256)로부터 도입하는 아르곤 가스의 유량을 컨트롤함으로써, 리튬 함유 분말의 분출 속도를 조정할 수 있다.
또한 리튬 함유 분말에 포함되는 리튬은, 반응성이 높고 발화하기 쉬운 성질이 있기 때문에, 캐리어 가스로서도 아르곤 가스 등의 희가스와 같이 리튬과는 반응하지 않는 가스를 이용함으로써, 리튬의 자연 발화 등을 방지할 수 있다.
가열 가스 공급부(260)는, 도 3에 도시한 바와 같이 대략 통 형상으로 구성된다. 도 3에 도시한 가열 가스 공급부(260)는, 아르곤 가스 등의 희가스를 통과시키는 가스관(262)의 주위에 히터(264)를 감아 구성된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 가스관(262)의 기단은 세라믹 등으로 구성된 지지부(263)에 의해 지지하고, 지지부(263)보다 선단측에는 석영 글라스 등으로 구성한 글라스관(266)을 설치하고, 이 글라스관(266)내에 가스관(262)을 배치하도록 해도 된다. 이에 의하면 희가스 온도의 안정성을 높일 수 있다.
이러한 가열 가스 공급부(260)에 의하면, 히터(264)를 온(ON)하여 가스관(262)의 기단으로부터 희가스를 도입하면, 가스관(262)을 통과하는 희가스는 히터(264)에 의해 가열되고, 가스관(262)의 선단의 가스 분출구(268)로부터 가열된 희가스로서 분출된다. 이에 의해, 리튬 함유 분말 공급부(250)의 분말 분출구(254)로부터 분출되는 리튬 함유 분말에, 가열된 희가스가 공급되도록 가열 가스 공급부(260)를 배치함으로써, 리튬 함유 분말을 용융시키면서, 전극 시트(W)의 탄소 재료(C) 상에 분사할 수 있다.
여기서의 리튬 함유 분말로서는, 예를 들면 인 함유 화합물 등으로 피복된 리튬 금속 분말을 이용할 수 있다. 이러한 리튬 금속 분말은 공기 중에서도 매우 안정적으로 취급이 용이하며, 리튬의 융점 온도 이상으로 가열함으로써 용융하여 리튬이 얻어진다. 본 실시예에서는, 이러한 리튬 함유 분말을 가열 가스로 가열함으로써, 전극 재료에의 리튬 용사를 가능하게 한다. 또한 리튬 함유 분말로서는, 상기한 것에 한정되는 것은 아니다.
또한 가열 가스 공급부(260)의 수 또는 배치는, 도 3에 도시한 바와 같이 리튬 함유 분말 공급부(250)의 홀부(252)의 수 또는 배치에 따라 결정하는 것이 바람직하다. 도 3은, 리튬 함유 분말 공급부(250)의 1 개의 홀부(252)에 대하여, 2 개의 가열 가스 공급부(260)를 설치한 경우의 예를 도시하고 있다. 구체적으로 리튬 함유 분말 공급부(250)의 1 개의 홀부(252)에 대하여, 전극 시트(W)의 길이 방향의 양측에 2 개의 가열 가스 공급부(260)를 각각 대칭으로 배치한다.
이 때, 2 개의 가열 가스 공급부(260)는, 이들로부터의 가열 가스가 홀부(252)의 분말 분출구(254)와 전극 시트(W)의 탄소 재료(C)의 사이로 공급되도록 배치된다. 구체적으로, 2 개의 가열 가스 공급부(260)는 그 사이의 리튬 함유 분말 공급부(250)(홀부(252))에 대하여 예각을 이루도록 경사지게 배치한다.
이에 의하면, 각 홀부(252)의 선단의 분말 분출구(254)로부터 분출되는 리튬 함유 분말은 가열 가스에 의해 가열되어 용융된다. 이에 의해, 리튬이 전극 시트(W)의 탄소 재료(C)를 향해 용사되므로, 탄소 재료(C)에 리튬의 박막을 고속으로 성막할 수 있다. 이에 의해, 탄소 재료(C)에의 리튬 이온의 도핑 공정에 걸리는 시간을 큰 폭으로 단축할 수 있다.
그런데, 이러한 리튬은 매우 반응성이 높아, 가령 대기 중(공기 중)에서 성막을 행하면 자연 발화할 가능성도 높아진다. 이 점, 아르곤 가스 등의 희가스 중에서 리튬의 용사를 행함으로써, 리튬을 자연 발화시키지 않고 성막할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 전극 제조 장치(100)에서는 희가스의 도입 기구를 설치하고, 상술한 리튬 함유 분말 공급부(250)의 캐리어 가스 또는 가열 가스 공급부(260)의 가열 가스로 희가스를 이용할 뿐 아니라, 처리실(200)의 내부와 이에 연통하는 각 수용실(110A, 110B)의 내부에도 희가스를 도입하여 희가스 분위기로 한 다음, 리튬의 성막 처리를 행할 수 있도록 하고 있다.
여기서, 이러한 희가스의 도입 기구의 구성의 구체예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1에서는, 처리실(200)과 각 수용실(110A, 110B)의 각각에 대하여, 별개로 희가스의 유량을 조정하면서 도입할 수 있도록 한 경우의 예를 들고 있다. 또한 희가스로서는, 상술한 바와 같이 아르곤 가스를 예로 들 수 있지만, 적용 가능한 희가스의 종류는 이에 한정되지 않는다.
도 1에 도시한 바와 같이 수용실(110A, 110B)에는 각각, 희가스(여기서는 아르곤 가스)를 공급하기 위한 희가스 공급부(130A, 130B)가 설치되어 있다. 희가스 공급부(130A, 130B)는 각각, 희가스 공급원(132A, 132B)을 구비한다. 이들 희가스 공급원(132A, 132B)은 각각 배관(134A, 134B)을 개재하여, 각 수용실(110A, 110B)의 가스 도입구(133A, 133B)에 접속된다.
이들 배관(134A, 134B)에는 각각, 희가스의 유량을 조정하는 유량 조정기로서의 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(135A, 135B)와 개폐 밸브(136A, 136B)가 설치되어 있다.
처리실(200)에는, 희가스(여기서는 아르곤 가스)를 공급하기 위한 희가스 공급부(230)가 설치되어 있다. 희가스 공급부(230)는 희가스 공급원(232)을 구비한다. 희가스 공급원(232)은 배관(234)을 개재하여 처리실(200)의 가스 도입구(233)에 접속되고, 배관(237)을 개재하여 리튬 함유 분말 공급부(250)의 가스 도입구(256)에 접속되고, 배관(238) 및 이로부터 분기한 복수의 분기 배관(239)을 개재하여 각 가열 가스 공급부(260)의 가스관(262)에 접속되어 있다.
이들 배관(234, 237, 238)에는 각각, 희가스의 유량을 조정하는 유량 조정기로서의 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(235)와 개폐 밸브(236)가 설치되어 있다. 이에 의해, 처리실(200), 리튬 함유 분말 공급부(250), 가열 가스 공급부(260)로 공급하는 희가스의 유량을 별개로 조정할 수 있다.
또한 본 실시예에서는, 별개의 희가스 공급원(132A, 132B, 232)을 설치한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 동일 종류의 희가스를 이용할 경우에는, 처리실(200)과 수용실(110A, 110B)에 공통의 1 개의 희가스 공급원을 설치하도록 해도 된다. 또한, 희가스의 유량을 조정하는 유량 조정기는 매스 플로우 컨트롤러(MFC)에 한정되는 것은 아니다.
이러한 전극 제조 장치(100)는 도 1에 도시한 바와 같이, 그 각 구성부를 제어하는 제어부(300)를 구비한다. 제어부(300)에는, 오퍼레이터가 전극 제조 장치(100)를 조작하기 위하여 커멘드의 입력 조작 등을 행하는 키보드 또는 디스플레이 등으로 이루어지는 조작부(310)가 접속되어 있다. 조작부(310)는 터치 패널로 구성해도 된다.
또한 제어부(300)에는, 전극 제조 장치(100)에서 실행되는 후술하는 전극 제조 처리를 제어부(300)의 제어로 실현하기 위한 프로그램 및 프로그램을 실행하기 위하여 필요한 레시피 데이터(예를 들면 처리실(200), 수용실(110A, 110B)의 내부의 설정 압력, 전극 시트(W)의 감김 속도 등) 등이 기억된 기억부(320)가 접속되어 있다.
또한, 이들 레시피는 하드 디스크 또는 반도체 메모리에 기억되어 있어도 되고, 또한 CD-ROM, DVD 등의 가반성의 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기억 매체에 수용된 상태로 기억부(320)의 소정 위치에 세팅되도록 되어 있어도 된다.
제어부(300)는, 조작부(310)로부터의 지시 등에 기초하여 원하는 프로세스 레시피를 기억부(320)로부터 독출하여 각 부를 제어함으로써, 전극 제조 장치(100)에서의 원하는 처리를 실행한다. 또한, 조작부(310)로부터의 조작에 의해 레시피를 편집할 수 있도록 되어 있다.
(롤 형상 전극 시트)
이어서, 전극 제조 장치(100)에 의한 전극 제조 처리에서, 리튬 이온을 도핑할 시 이용되는 롤 형상의 전극 시트에 대하여 설명한다. 여기서는 리튬 이온 이차 전지의 음전극을 제조할 시 이용되는 롤 형상의 전극 시트를 예로 든다.
리튬 이온 이차 전지는, 예를 들면 양극과 음극을 세퍼레이터를 개재하여 적층하여 전지 용기 내에 수용하고, 전해액을 주입하여 구성된다. 이들 양극, 음극 등의 전극은 각각, 미리 롤 형상으로 형성한 전극 시트를 절단 가공하여 필요한 길이 또는 형상으로 가공하여 제조된다.
본 실시예에서는, 이들 중 롤 형상으로 형성된 전극 시트(W)의 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하여, 롤 형상으로 다시 감음으로써, 음극의 롤 형상 전극 시트를 제조한다. 본 실시예에 따른 리튬 이온 도핑 전의 롤 형상 전극 시트(W)는 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이, 수지 또는 금속 등으로 이루어지는 베이스 시트 상에 등간격으로, 전극 재료로서의 탄소 재료(C)가 시트 상에 형성되어 있는 것을 이용한다.
여기서의 탄소 재료(C)로서는, 흑연, 활성탄, 난흑연화 탄소질, 이흑연화 탄소질 등을 들 수 있지만, 여기서는 흑연보다 뛰어난 용량을 가지는 활성탄을 이용하는 것으로 한다. 또한, 리튬 이온을 도핑하는 전극 재료로서는 이들 탄소 재료에 한정되지 않고, 규소 혹은 이를 포함하는 화합물 또는 주석 혹은 이를 포함하는 화합물 등이어도 된다.
(전극 제조 처리)
이어서, 이러한 탄소 재료(C)가 형성된 전극 시트(W)에 대하여, 본 실시예에 따른 전극 제조 장치(100)를 이용하여 리튬 이온을 도핑함으로써, 리튬 이온 이차 전지용의 음극의 롤 형상 전극 시트를 제조하는 전극 제조 처리에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 제어부(300)는, 소정의 프로그램에 기초하여 전극 제조 장치(100)의 각 부를 제어함으로써 도핑 처리를 실행하도록 되어 있다. 도 4는 본 실시예에 따른 전극 제조 처리의 구체예를 나타낸 순서도이다.
이 전극 제조 처리(도핑 처리)는, 롤 형상 전극 시트(W)를 전극 제조 장치(100)에 세팅하고, 예를 들면 조작부(310)에 설치한 처리 개시 버튼을 누름으로써 개시된다. 구체적으로, 롤 형상 전극 시트(W)의 롤 코어(R)를 풀림 축(112A)에 삽입하여 고정하고, 전극 시트(W)를 풀어 도 1에 도시한 바와 같이 각 가이드 롤러(102A, 202A, 202B, 102B)에 걸치고, 감김 축(112B)에 세팅한 롤 코어(R)에 장착한다. 처리 개시 버튼을 누름으로써 처리를 개시시킨다.
제어부(300)는 전극 제조 처리를 개시하면, 먼저 단계(S110)에서 처리실(200)과 각 수용실(110A, 110B)로 희가스를 도입하면서 진공 배기하여 감압한다. 구체적으로, 희가스 공급원(132A, 132B)으로부터 각 수용실(110A, 110B)로 희가스를 소정 유량으로 공급하고, 또한 희가스 공급원(232)으로부터 처리실(200)로 희가스를 소정 유량으로 공급한다. 여기서의 희가스로서는 아르곤 가스를 이용한다.
처리실(200)과 각 수용실(110A, 110B)을 감압할 시에는, 배기 장치(120A, 120B)를 구동하여 각 수용실(110A, 110B)의 내부를 배기하고, 또한 배기 장치(220)를 구동하여 처리실(200)의 내부를 배기하여, 각각을 소정의 진공 압력까지 감압한다.
이어서, 단계(S120)에서 처리실(200)과 각 수용실(110A, 110B)이 소정의 설정 압력(진공 압력)이 되었는지 여부를 판단한다. 구체적으로 예를 들면 도시하지 않은 압력 센서에 의해 각각의 압력을 감시하고, 처리실(200)은 100 Torr 정도의 설정 압력까지 감압하고, 각 수용실(110A, 110B)은 그것보다 높은 설정 압력까지 감압한다.
단계(S120)에서 처리실(200)과 각 수용실(110A, 110B)이 각각 소정의 설정 압력이 되었다고 판단한 경우에는, 그 압력을 유지하도록 각 배기 장치(120A, 120B, 220)를 제어하면서, 단계(S130)에서 전극 시트(W)의 풀림 감김을 개시한다.
구체적으로 롤 형상의 전극 시트(W)는 풀림 수용실(110A)로부터 풀리고, 처리실(200)을 통과하여 감김 수용실(110B)의 감김 축(112B)에 감기도록, 모터(114A, 114B)를 구동시켜 감김 축(112A)과 풀림 축(112B)의 회전을 개시한다. 이에 의해, 전극 시트(W)는 도 1에 도시한 화살표의 방향으로 반송된다.
그리고, 단계(S140)에서 전극 시트(W)가 처리실(200)을 통과할 시, 그 탄소 재료(C) 상에 리튬 이온을 도핑한다. 구체적으로, 전극 시트(W)의 각 탄소 재료(C) 상에서, 가열 가스 공급부(260)에서 가열한 희가스를 공급하면서, 리튬 함유 분말 공급부(250)로부터 리튬 함유 분말을 희가스와 함께 분사한다.
이렇게 하여, 전극 시트(W)의 탄소 재료(C)에 리튬이 고속으로 도핑된다. 그리고, 도핑 처리 후의 전극 시트(W)는 대기에 노출되지 않고, 감김 축(112B)에 감긴다.
또한, 도핑 처리를 행할 시의 리튬 함유 분말 공급부(250)에 의한 리튬 함유 분말의 분출 속도와, 가열 가스 공급부(260)에 의한 가열 가스의 분출 속도는, 각각의 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(235)에 의해 희가스의 유량을 조정함으로써 조정 가능하다.
또한, 가열 가스 공급부(260)에 의해 분출되는 희가스의 가열 온도는, 히터(264)의 설정 온도를 조정함으로써 조정할 수 있다. 이 때의 설정 온도는, 적어도 리튬을 용해할 수 있는 온도, 즉 리튬의 융점 온도(대략 180℃) 근방인 것이 바람직하다. 단, 리튬의 발화를 방지하기 위하여, 리튬의 비점(1347℃) 이상의 온도는 되지 않도록 한다. 여기서는 각 가열 가스 공급부(260)의 히터(264)의 설정 온도를 예를 들면 200℃ 정도로 설정한다.
또한, 전극 시트의 폭이 커 처리실(200) 내에서 약간의 온도차가 발생할 경우에는 그것을 보정하도록, 각 가열 가스 공급부(260)의 히터(264)의 설정 온도를 별개로 조정할 수도 있다.
또한, 탄소 재료(C)에 성막하는 리튬의 막 두께는, 리튬 함유 분말 공급부(250)로부터 공급하는 리튬 함유 분말의 양 또는 희가스 유량 등을 변경함으로써 제어할 수 있다. 또한, 전극 시트(W)의 반송 속도를 조정함으로써도 리튬의 막 두께를 제어할 수 있다. 예를 들면 리튬의 막 두께를 증가시키고자 할 경우에는, 전극 시트(W)의 반송 속도를 느리게 하면 되고, 반대로 리튬의 막 두께를 감소시키고자 할 경우에는, 전극 시트(W)의 반송 속도를 빠르게 하면 된다.
또한, 탄소 재료(C)의 범위에서 반송 방향을 정회전과 역회전을 반복함으로써, 리튬의 막 두께를 조정할 수 있다. 이에 의하면 반송 방향을 정회전과 역회전의 반복 횟수에 의해서도, 리튬의 막 두께를 제어할 수 있다.
이어서, 단계(S150)에서 전극 시트(W)의 감김 종료 여부를 판단한다. 감김 종료 여부는, 예를 들면 도시하지 않은 권경(卷徑) 센서 등에 의해 전극 시트(W)의 권경을 검출함으로써 판단해도 되고, 또한 감김 축(112B)을 구동하는 모터(114B)의 토크 출력의 변화로부터 판단해도 된다.
단계(S150)에서 감김 종료라고 판단한 경우에는, 단계(S160)에서 풀림 축(112A)과 감김 축(112B)의 회전을 정지하여, 전극 시트(W)의 풀림 감김을 정지한다. 단계(S170)에서 처리실(200)과 수용실(110A, 110B)의 내부를 대기 압력으로 복귀시켜, 처리실(200)과 각 수용실(110A, 110B)에의 희가스의 도입을 정지한다. 이 대기압에의 복귀가 완료되면, 도 1에 도시한 처리 완료된 롤 형상 전극 시트를 취출할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 전극 제조 장치(100)에 의한 전극 제조 처리에 의하면, 전극 시트(W)의 전극 재료 상에, 리튬 함유 분말을 용융시키면서 분사하여 리튬의 박막을 성막함으로써, 고속으로 리튬의 박막을 성막할 수 있다. 이에 의해, 탄소 재료에 리튬 이온을 도핑하는 시간을, 전해액 중에서 리튬 이온을 도핑하고 있던 종래에 비해 비약적으로 단축할 수 있다. 이에 의해, 리튬 이온 커패시터의 형상의 다양화에도 대응할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 이러한 리튬 용사에 의해 리튬을 성막하므로, 전극 재료가 본 실시예에서 예로 든 바와 같이 시트 형상(평면 형상)이 아니라도, 어떠한 형상이라도(예를 들면 입체 형상) 리튬 이온을 도핑할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 이용되는 리튬 함유 분말은 대기 중에서도 안정되어 있어 취급하기 용이한데 반해, 리튬 자체는 반응성이 높아, 공기 중에서 자연 발화하기 쉬워 취급하기 어려운 성질이 있다. 이 점, 본 실시예에서는, 전극 제조 장치(100) 외에서는, 안정된 리튬 함유 분말로서 취급할 수 있고, 도핑 처리 시에는 희가스 분위기로 한 처리실(200) 내에서 리튬 함유 분말을 가열 용융시키기 때문에, 리튬 자체를 발화시키지 않고, 리튬의 성막 처리를 행할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 리튬 함유 분말 공급부(250)의 홀부(252)를 통하여 분말 분출구(254)로부터 분출된 리튬 함유 분말을 가열 가스로 가열하도록 했으므로, 홀부(252)를 통과하고 있는 동안에 리튬이 용융하여 홀부(252)에 부착하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 리튬 함유 분말이 리튬 함유 분말 공급부(250)의 홀부(252) 내에서 막히지 않도록, 가진기를 장착하도록 해도 된다. 이 경우, 예를 들면 리튬 함유 분말 공급부(250)의 기단부에, 리튬 함유 분말을 일시적으로 저장하여 필요에 따라 홀부(252)로 공급하는 기밀한 호퍼를 설치하고, 이 호퍼에 가진기를 장착하도록 해도 된다.
이러한 가진기 부착의 호퍼의 구성예를 도 5에 도시한다. 도 5에 도시한 호퍼(270)는 그 내부에 하방으로 볼록하게 경사지는 테이퍼 형상의 배플판(274)을 구비한다. 배플판(274)의 저부에는 홀부(252)와 연통하는 복수의 관통홀(276)이 형성되어 있다. 또한, 이들 복수의 관통홀(276)을 개폐하는 도시하지 않은 셔터부를 설치할 수 있다. 이 셔터부를 개폐함으로써, 리튬 함유 분말 공급부(250)로부터 리튬 함유 분말을 분출시키는 타이밍 또는 양을 조정하도록 해도 된다.
이러한 호퍼(270)에 가진기(280)를 장착함으로써, 가진기(280)의 진동에 의해, 호퍼(270) 내의 리튬 함유 분말은 홀부(252) 내에서 막히지 않고, 분말 분출구(254)로부터 분출시킬 수 있다. 또한, 호퍼(270)는 리튬 함유 분말 공급부(250)에 착탈 가능하게 구성할 수 있다. 이에 의하면, 호퍼(270) 내의 리튬 함유 분말이 떨어졌을 때에는, 호퍼(270)별로 교환함으로써 리튬 함유 분말을 보충할 수 있다.
또한, 호퍼(270)에 가진기(280)를 장착하는 대신에, 호퍼(270) 내에 교반기를 설치하도록 해도 된다. 예를 들면 도 6에 도시한 바와 같이, 호퍼(270) 내에 교반기(290)를 설치하여, 이를 모터(292)에 의해 회전시킴으로써, 호퍼(270) 내의 리튬 함유 분말을 교반시킴으로써, 호퍼(270) 내의 리튬 함유 분말은 홀부(252) 내에서 막히지 않고, 분말 분출구(254)로부터 분출시킬 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자라면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주 내에서, 각종의 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
예를 들면 본 실시예에 따른 전극 제조 장치에서는, 롤 형상의 전극 시트에 형성된 전극 재료에 리튬을 성막함으로써, 리튬 이온을 도핑하는 경우를 예로 들었지만, 이에 한정되지 않고, 직사각형의 전극 시트에 형성된 전극 재료여도 된다. 또한 본 실시예에 따른 전극 제조 장치에 의하면, 평면 형상뿐 아니라 입체 형상의 전극 시트에 형성된 전극 재료라도 리튬을 성막할 수 있으므로, 이들에 대해서도 리튬 이온을 도핑할 수 있다.
본 발명은, 리튬 이온 커패시터용 전극의 제조 장치 및 제조 방법에 적용 가능하다.
100 : 전극 제조 장치
102A, 102B : 가이드 롤러
110A : 풀림측 수용실
110B : 감김측 수용실
112A : 풀림 축
112B : 감김 축
114A, 114B : 모터
120A, 120B : 배기 장치
122A, 122B : 배기구
130A, 130B : 희가스 공급부
132A, 132B : 희가스 공급원
133A, 133B : 가스 도입구
134A, 134B : 배관
135A, 135B : 매스 플로우 컨트롤러(MFC)
136A, 136B : 개폐 밸브
200 : 처리실
202A, 202B : 가이드 롤러
210 : 리튬 용사부
220 : 배기 장치
222 : 배기구
230 : 희가스 공급부
232 : 희가스 공급원
233 : 가스 도입구
234, 237, 238 : 배관
235 : 매스 플로우 컨트롤러(MFC)
236 : 개폐 밸브
239 : 분기 배관
250 : 리튬 함유 분말 공급부
252 : 홀부
254 : 분말 분출구
256 : 가스 도입구
260 : 가열 가스 공급부
262 : 가스관
263 : 지지부
264 : 히터
266 : 글라스관
268 : 가스 분출구
270 : 호퍼
274 : 배플판
276 : 관통홀
280 : 가진기
290 : 교반기
292 : 모터
300 : 제어부
310 : 조작부
320 : 기억부
C : 탄소 재료
GA, GB : 연통구
W : 전극 시트

Claims (7)

  1. 전극 시트 상의 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하여 리튬 이온 커패시터용 전극을 제조하는 전극 제조 장치로서,
    상기 전극 시트를 반출입 가능한 처리실과,
    상기 처리실 내로 희가스를 도입하기 위한 희가스 공급부와,
    상기 처리실 내를 배기하여 소정의 진공 압력으로 하는 배기 장치와,
    상기 처리실 내로 반입되는 상기 전극 시트의 전극 재료 상에, 리튬 함유 분말을 용융시키면서 분사하여 리튬의 박막을 성막함으로써, 상기 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하는 리튬 용사부를 구비하고,
    상기 리튬 용사부는, 상기 전극 시트의 전극 재료를 향해 상기 리튬 함유 분말을 분출하는 리튬 함유 분말 공급부와, 상기 리튬 함유 분말 공급부로부터 분출된 리튬 함유 분말을 용해하는 가열 가스를 공급하는 가열 가스 공급부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬 함유 분말 공급부는 상기 전극 재료에 대하여 수직으로 배치되고, 상기 가열 가스 공급부는 상기 리튬 함유 분말 공급부에 대하여 경사져, 상기 리튬 함유 분말 공급부의 분말 분출구와 상기 전극 재료의 사이에 상기 가열 가스가 분출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 시트는 롤 형상이며,
    상기 처리실의 양측에 상기 전극 시트의 수용실을 각각 설치하여 이들을 연통시켜, 상기 전극 시트를 일방의 수용실로부터 풀고, 상기 처리실 내를 통과하여 타방의 수용실에서 감도록 구성하고,
    상기 리튬 용사부는, 상기 전극 시트가 풀려 상기 처리실 내를 통과할 시, 그 전극 재료 상에 리튬의 박막을 성막하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 리튬 함유 분말 공급부는 상기 전극 시트의 폭 방향으로 연장되고, 상기 전극 재료에 대하여 수직으로 배치된 판상 부재에, 상기 리튬 함유 분말을 공급하기 위한 복수의 홀부를 상기 전극 시트의 폭 방향으로 나란히 형성하여 이루어지고,
    상기 가열 가스 공급부는, 상기 리튬 함유 분말 공급부의 각 홀부에 대하여 각각, 1 개의 홀부에 대하여 상기 전극 시트의 길이 방향의 양측에 2 개의 가열 가스 공급부를 대칭으로 배치한 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  6. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 재료는 탄소 재료인 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  7. 전극 시트 상의 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하여 리튬 이온 커패시터용 전극을 제조하는 전극 제조 방법으로서,
    상기 전극 시트를 반출입 가능한 처리실 내를 희가스 분위기로 하여 감압하고,
    상기 처리실 내로 반입되는 상기 전극 시트의 전극 재료 상에, 리튬 함유 분말을 용융시키면서 분사하여 리튬의 박막을 성막함으로써, 상기 전극 재료에 리튬 이온을 도핑하는 것을 특징으로 하고,
    상기 리튬 함유 분말을 용융시키면서 분사하여 리튬의 박막을 성막하는 것은, 상기 전극 시트의 전극 재료를 향해 상기 리튬 함유 분말을 분출하고, 상기 분출된 리튬 함유 분말을 용해하는 가열 가스를 공급하는 것을 포함하는 전극 제조 방법.
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