KR102134587B1 - 이차전지용 전극을 구성하는 이종 소재의 동시 코팅이 가능한 전극 코팅 장치 - Google Patents

이차전지용 전극을 구성하는 이종 소재의 동시 코팅이 가능한 전극 코팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집전체 상에 서로 다른 특성을 가진 전극 구성요소들을 동시에 코팅하는 장치로서, 제 1 전극 구성요소를 집전체 상에 도포하는 제 1 코팅부, 및 상기 제 1 코팅부와 조합된 구조로 이루어져 있고 제 2 전극 구성요소를 도포하는 제 2 코팅부를 포함하고 있고; 상기 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 각각 제 1 코팅부와 제 2 코팅부를 통해 동시에 집전체 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치를 제공한다.

Description

이차전지용 전극을 구성하는 이종 소재의 동시 코팅이 가능한 전극 코팅 장치 {Electrode Coating Apparatus Capable of Simultaneously Coating Different Substances Constituting Electrode for Secondary Battery}
본 발명은 이차전지용 전극을 구성하는 이종 소재의 동시 코팅이 가능한 전극 코팅 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지는 일반적으로 전지 케이스, 및 전해액에 함침된 상태로 상기 전지 케이스에 수용되는 전극조립체를 포함한다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 양극과 음극은 각각 알루미늄(Al) 호일과 구리(Cu) 호일로 이루어진 집전체에 각각 활물질을 포함하는 양극 슬러리 및 음극 슬러리가 도포 및 건조되어 제조된다.
이차전지의 충방전 특성을 균일하게 하기 위해서는 상기 양극 슬러리 및 음극 슬러리가 집전체에 정밀하게 코팅되어야 하는데, 이를 위해 통상적으로 슬롯 다이 코팅 공정이 수행된다.
전극의 슬롯 다이 코팅 공정은 크게 슬러리를 연속적으로 주입되는 Stripe Coating과 불연속적으로 주입되는 Patch Coating으로 나뉜다.
그 중에서도, 전극 슬러리가 연속적으로 주입되는 Stripe Coating은 일반적으로, 양극과 음극이 접촉하여 내부 단락이 일어나지 않고, 집전체로부터 전극 합제층이 탈리되지 않도록 전극 합제층의 양측 단부에 절연 물질 코팅을 함께 수행한다.
도 1 및 도 2에는 금속 집전체에 전극 슬러리와, 슬러리층의 양측 단부에 절연 물질을 코팅하는 일반적인 코팅 장치의 사시도가 개략적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 코팅 장치(10)는 전극 슬러리가 토출되는 슬롯 다이(20), 및 코팅롤(40)으로 구성되어 있으며, 코팅롤(40)을 회전시키면서 집전체(40)를 코팅시킨다.
슬롯 다이(20)에서 토출된 전극 슬러리는 집전체(50)의 일면에 넓게 도포되어 슬러리 코팅층(52)을 형성한다.
여기서, 슬러리 코팅층(52)의 양단에는 도 2에서와 같이, 집전체의 단락 및 코팅층의 탈리를 방지하기 위한 절연 물질이 도포될 수 있으며, 구체적으로 도 1에서와 같이 슬러리 코팅층(52) 형성 이후에, 슬러리 코팅층(52) 양단에 별도의 보조 슬롯 다이(30)를 위치시키고, 이로부터 절연 물질을 토출시키는 과정을 통해 절연 코팅층(54)을 형성한다.
그러나, 상기와 같은 코팅 장치와 이를 이용한 코팅 방법은 전극 슬러리를 도포하는 코팅 장치와 절연 코팅층을 위한 코팅 장치를 별개로 운용해야 하므로, 제조 공정성이 낮은 단점이 있다.
특히, 밀리미터 단위로 집전체의 폭이 좁을 경우에는 집전체 상의 코팅 영역 역시 좁기 때문에, 전극 슬러리를 도포하는 코팅 장치와 절연 코팅층을 위한 코팅 장치를 별개로 운용하기 위한 공간 확보가 어려울 뿐만 아니라, 전극 슬러리와 절연 코팅이 각각 개별적으로 수행되기 때문에 코팅에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 종래 기술의 문제점들을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전극을 구성하는 이종 소재를 집전체 상에 동시에 코팅함으로써, 제조 공정성을 개선할 수 있는 전극 코팅 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 코팅 장치는,
집전체 상에 서로 다른 특성을 가진 전극 구성요소들을 동시에 코팅하는 장치로서,
제 1 전극 구성요소를 집전체 상에 도포하는 제 1 코팅부, 및 상기 제 1 코팅부와 조합된 구조로 이루어져 있고 제 2 전극 구성요소를 도포하는 제 2 코팅부를 포함하고 있고;
상기 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 각각 제 1 코팅부와 제 2 코팅부를 통해 동시에 집전체 상에 도포되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전극 코팅 장치는 서로 다른 특성의 제 1 및 제 2 전극 구성 요소를 코팅하는 제 1 코팅부와 제 2 코팅부가 조합된 단일 장치로 이루어진 구조에 기반하여, 각 전극 구성 요소들을 동시에 코팅할 수 있고, 그에 따라 코팅 장치를 별개로 운용하는 방식과 비교하여 제조 공정성이 높은 장점이 있다.
본 발명에서 제 1 및 제 2 코팅부란, 전극 코팅 장치에서 제 1 및 제 2 전극 구성 요소를 도포하는 부위가 구획되어 있는 공간적인 개념이며, 이들은 하기 상술하는 슬롯 다이 구조를 공유하는 형태로 구획되어 있다.
구체적으로, 상기 전극 코팅 장치는 제 1 코팅부와 제 2 코팅부가 상호 조합된 슬롯 다이 구조로 이루어져 있고,
상기 슬롯 다이 구조는,
제 1 전극 구성요소가 충진되는 제 1 저장부, 및 제 1 전극 구성요소가 제 1 저장부로 유입되도록 제 1 저장부와 연통되어 있는 제 1 유입부가 구비되어 있는 하부 다이;
상기 제 2 전극 구성요소가 충진되는 제 2 저장부, 및 제 2 전극 구성요소가 제 2 저장부로 유입되도록 제 2 저장부와 연통되어 있는 제 2 유입부가 구비되어 있는 상부 다이; 및
상기 하부 다이와 상부 다이 사이에 개재되어 슬롯형 노즐을 형성하며, 제 1 저장부의 제 1 전극 구성요소와 제 2 저장부의 제 2 전극 구성요소가 슬롯형 노즐을 통해 토출되는 심(shim) 부재;를 포함할 수 있다.
상기 슬롯 다이란 하부 다이와 상부 다이 사이에 형성된 슬롯에 심이 장착되면서 다이의 형태를 구성하는 것으로 이해할 수 있디.
본 발명에서는 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소가 서로 다른 심을 경유하여 독립적으로 도포될 수 있는 바, 이를 달성하기 위한 상세한 구조를 하기 비제한적인 예들을 통해 더욱 구체적으로 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 심 부재는, 제 1 전극 구성요소의 토출을 위한 제 1 심과, 제 2 전극 구성요소를 토출하기 위한 제 2 심으로 이루어져 있고;
상기 제 1 심은 하부 다이와 제 2 심 사이에 개재되어 있으며, 제 1 저장부와 연통되는 제 1 중공부를 포함하고 상기 제 1 중공부의 일측에 제 1 전극 구성요소의 토출을 위한 제 1 개구가 형성되어 있으며;
상기 제 2 심은 제 1 심과 상부 다이 사이에 개재되어 있으며, 제 2 저장부와 연통되는 제 2 중공부를 포함하고 상기 제 2 중공부의 일측에 제 2 전극 구성요소의 토출을 위한 제 2 개구가 형성된 구조일 수 있다.
이에, 제 1 코팅부는, 하부 다이가 제 1 심과 제 2 심에 의해 슬롯 다이 형태로 구성되면서 제 1 전극 구성요소가 도포되는 전극 코팅 장치의 일부분으로 이해할 수 있고, 마찬가지로 제 2 코팅부는 상부 다이가 제 2 심과 제 1 심에 의해 슬롯 다이 형태로 구성되면서 제 2 전극 구성요소가 도포되는 전극 코팅 장치의 나머지 부분으로 이해할 수 있다. 즉, 이들 코팅부는 제 1 심과 제 2 심이 형성하는 슬롯 부위를 서로 공유하는 상부 다이와 하부 다이에 대한 공간적인 개념이다.
상기 제 1 심의 구체적인 구조는, 상부 및 하부 다이의 내면과 동일한 크기의 플레이트 상에 제 1 중공부 및 상기 중공부로부터 일체로 연장된 제 1 개구가 형성된 구조로 이루어져 있고,
상기 제 2 심은, 제 1 심과 동일한 크기의 플레이트 상에 제 2 중공부 및 상기 중공부로부터 일체로 연장된 제 2 개구가 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제 1 중공부와 제 2 중공부는 상호 연통되지 않는 형상으로 제 1 심 및 제 2 심에 각각 형성되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로 상기 제 1 심은, 제 1 중공부가 평면상으로 제 1 저장부와 동일한 형상으로 이루어져 있고;
상기 제 2 심은 제 1 심과 중첩된 상태에서 상부 다이의 제 2 저장부로부터 제 1 중공부와 제 1 저장부가 함께 밀폐되도록, 제 1 중공부와 대응되는 위치에 플레이트 형상의 제 1 격벽이 형성되어 있고, 상기 제 1 격벽의 일측 또는 양측에 제 2 중공부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극 코팅 장치는 제 1 전극 구성요소가 제 1 심의 제 1 중공부와 제 2 심의 제 1 격벽에 의해 설정된 공간으로만 유도되면서 상부 다이 및 제 2 심의 제 2 중공부에 존재하는 제 2 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 1 개구를 통해 토출 될 수 있다.
마찬가지로, 제 2 전극 구성요소는 제 2 심의 제 2 중공부가 제 1 심의 외면에 의해 하부 다이의 제 1 저장부 및 제 1 심의 제 1 중공부로부터 격리되므로, 하부 다이 및 제 1 심의 제 1 중공부에 존재하는 제 1 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 2 개구를 통해 토출 될 수 있다.
또한, 상기 제 1 심의 제 1 개구와 제 2 심의 제 2 개구는 슬롯형 노즐을 형성하도록 상호 인접하게 형성되되, 제 1 중공부와 제 2 중공부 각각으로부터 일체로 연장된 제 1 개구와 제 2 개구가 서로 연통되지 않으며, 결과적으로 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 서로에 대해 혼합되지 않은 독립상의 형태로 토출될 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 제 1 심은, 제 1 중공부가 평면상으로 제 1 저장부와 동일한 형상으로 이루어져 있고, 그것의 중심부를 가로지르는 형태의 제 2 격벽이 형성되어 있으며,
상기 제 2 심은 제 1 심과 중첩된 상태에서 상부 다이의 제 2 저장부로부터 제 2 격벽에 의해 구획되어 있는 제 1 중공부와 제 1 저장부가 함께 밀폐되도록, 제 1 중공부와 대응되는 위치에 플레이트 형상의 한 쌍의 제 3 격벽들이 형성되어 있고, 상기 제 3 격벽들 각각의 일측에 제 2 중공부가 형성되어 있으며,
상기 제 3 격벽들 사이에는 제 4 격벽이 형성되어 있고, 상기 제 4 격벽의 양측에는 제 2 저장부와 연통되는 제 3 중공부가 추가로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 제 3 중공부는, 제 1 심과 제 2 심이 중첩된 상태에서, 제 1 심의 제 2 격벽에 의해 하부 다이의 제 1 저장부와 제 1 중공부로부터 밀폐되어 있고,
상기 제 3 중공부의 일측에 제 2 전극 구성요소의 토출을 위한 제 3 개구가 추가로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 구조는 제 1 전극 구성요소가 제 1 심의 제 1 중공부와 제 2 격벽 및 제 2 심의 제 3 격벽들에 의해 설정된 공간으로만 유도되면서 상부 다이 및 제 2 심의 제 2 중공부에 존재하는 제 2 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 1 개구를 통해 토출 될 수 있다.
마찬가지로, 제 2 전극 구성요소는 제 2 심의 제 2 중공부가 제 1 심의 외면에 의해 하부 다이의 제 1 저장부 및 제 1 심의 제 1 중공부로부터 격리되므로, 하부 다이 및 제 1 심의 제 1 중공부에 존재하는 제 1 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 2 개구를 통해 토출 될 수 있다.
또한, 제 2 전극 구성요소는 제 2 심의 제 3 중공부가 제 1 심의 제 2 격벽에 의해 하부 다이의 제 1 저장부 및 제 1 심의 제 1 중공부로부터 추가로 격리되며, 하부 다이 및 제 1 심의 제 1 중공부에 존재하는 제 1 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 3 개구를 통해 토출 될 수 있다.
이와 같이, 상기 제 1 심의 제 1 개구와 제 2 심의 제 2 개구 및 제 3 개구는 슬롯형 노즐을 형성하도록 상호 인접하게 형성되되, 제 1 중공부, 제 2 중공부 및 제 3 중공부 각각으로부터 일체로 연장된 제 1 개구와 제 2 개구 및 제 3 개구가 서로 연통되지 않으며, 결과적으로 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 서로에 대해 혼합되지 않은 독립상의 형태로 토출될 수 있다.
본 발명에서, 상기 하부 다이는,
육면체 구조로 이루어진 제 1 본체부, 및 상기 슬롯형 노즐이 형성되는 방향으로 경사를 이루도록 제 1 본체부로부터 일체로 연장되어 있는 제 1 경사부를 포함하고 있고;
상기 제 1 저장부는, 상부 다이를 향하는 제 1 본체부의 내면에서 내향 만입된 구조로 제 1 전극 구성요소에 대한 충진 공간을 형성하고 있고, 상기 제 1 유입부는 제 1 저장부와 연통된 상태로 제 1 본체부의 외면 중 어느 하나를 통해 천공되어 있는 구조일 수 있다.
이와 유사하게 상기 상부 다이는,
육면체 구조로 이루어진 제 2 본체부, 및 상기 슬롯형 노즐이 형성되는 방향으로 경사를 이루도록 제 2 본체부로부터 일체로 연장되어 있는 제 2 경사부를 포함하고 있고;
상기 제 2 저장부는, 상부 다이를 향하는 제 2 본체부의 내면에서 내향 만입된 구조로 제 2 전극 구성요소에 대한 충진 공간을 형성하고 있고, 상기 제 2 유입부는 제 2 저장부와 연통된 상태로 제 2 본체부의 외면 중 어느 하나를 통해 천공되어 있는 구조일 수 있다.
상기 상부 다이와 하부 다이는 또한, 제 1 심과 제 2 심을 기준으로 서로 대칭되는 형상으로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 슬롯형 노즐은, 제 1 개구에 인접한 집전체 부위(a)에서의 제 1 전극 구성요소의 토출량과 도포 면적이 상대적으로, 집전체 부위(a)보다 먼 집전체 부위(b)에서의 제 2 전극 구성요소의 토출량과 도포 면적 보다 크도록, 제 1 개구의 수직 단면적이 제 2 개구와 제 3 개구 중 어느 하나의 수직 단면적보다 상대적으로 큰 구조일 수 있다.
상기 집전체 부위(a)는 집전체의 전체 면적 대비 80% 내지 99%의 면적을 가지도록 일체로 집전체 부위(b)로부터 구획된 부위이며, 상기 집전체 부위(b)는 상기 집전체 부위(a)의 경계로부터 일측 또는 상호 대향되는 경계들로부터 양측으로 연장된 집전체의 나머지 부위일 수 있다.
하나의 예로, 상기 집전체 부위(a)에는 제 1 전극 구성요소가 도포되며, 상기 집전체 부위(b)에는 제 2 전극 구성요소가 제 1 전극 구성요소에 대해 경계를 이루며 도포될 수 있다. 따라서, 제 1 전극 구성요소와 제 2 구성요소가 서로 독립상의 형태로 도포될 수 있으므로, 이들의 고유한 물성이 도포가 완료된 상태에서도 유지될 수 있다.
상기 집전체 부위(a)에 도포되는 상기 제 1 전극 구성요소는 이차전지용 양극활물질 또는 음극활물질; 전극 첨가제; 및 용매를 포함하는 전극활물질 슬러리일 수 있으며, 집전체 부위(b)에 도포되는 상기 제 2 전극 구성요소는 집전체에서 전극활물질 슬러리가 코팅되지 않은 집전체 부위(b)의 절연성을 담보하기 위한 절연물질일 수 있다.
상기 절연물질은 예를 들어, 불소수지, 에나멜 수지 및 에폭시 수지에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이, 전극의 용량을 결정하는 전극활물질 슬러리가 집전체의 대면적에 도포되기 위하여, 본 발명에서는 상기 제 1 개구가 제 2 개구의 수직 단면적보다 크게 설계될 수 있으며, 상세하게는 제 1 개구의 수직 단면적은 제 2 개구의 수직 단면적 대비 300% 내지 3000%일 수 있다. 만약, 전극 코팅 장치가 제 3 개구를 추가로 포함하는 경우에는 상기 제 2 개구는 제 3 개구와 동일한 수직 단면적을 가질 수 있다.
다만, 이러한 개구들의 수직 단면적은 집전체의 크기에 따라 소망하는 형태로 설계될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 또한, 집전체의 전체 면적 대비 80% 내지 99%의 면적을 가지도록 일체로 구획된 집전체 부위(a)에 제 1 전극 구성요소가 도포되어 있고,
상기 집전체 부위(a)의 경계로부터 일측 또는 상호 대향되는 경계들로부터 양측으로 연장된 집전체의 나머지 부위인 집전체 부위(b)에 제 2 전극 구성요소가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전극을 제공한다.
이와 같은 구조의 전극에서 상기 제 1 전극 구성요소는 이차전지용 양극활물질 또는 음극활물질; 전극 첨가제; 및 용매를 포함하는 전극활물질 슬러리일 수 있으며, 상기 제 2 전극 구성요소는 집전체에서 전극활물질 슬러리가 코팅되지 않은 집전체 부위(b)의 절연성을 담보하기 위한 절연물질일 수 있다.
이러한 구조의 전극은 전극활물질 슬러리가 도포되지 않은 집전체 부위가 인접한 다른 극성을 가지는 전극과 접촉하면서 발생되는 단락을 방지함으로써 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
상기 집전체 부위(b)는 상세하게는 전극-탭 부위 또는 전극-탭 형성 위한 노칭(notching) 예정부위일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극을 하나 이상 포함하는 이차전지와 상기 이차전지를 포함하는 디바이스를 제공한다.
본 발명의 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 코팅 장치는 서로 다른 특성의 제 1 및 제 2 전극 구성 요소를 코팅하는 제 1 코팅부와 제 2 코팅부가 조합된 단일 장치로 이루어진 구조에 기반하여, 각 전극 구성 요소들을 동시에 코팅할 수 있고, 그에 따라 코팅 장치를 별개로 운용하는 방식과 비교하여 제조 공정성이 높은 장점이 있다.
도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 전극 코팅 장치의 모식도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 코팅 장치의 분해 모식도이다;
도 4는 제 1 심과 제 2 심의 중첩 구조를 나타낸 모식도이다;
도 5는 전극 코팅 장치의 수직 단면도이다;
도 6은 슬롯형 노즐이 형성된 전극 코팅 장치의 하면도이다;
도 7은 본 발명에 따른 전극 코팅 장치로 집전체 표면에 전극 구성요소들을 도포하는 구조의 모식도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심 부재의 모식도이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 코팅 장치를 적용한 코팅 공정에 대한 모식도이다;
도 11은 도 10의 A부위의 확대도이다;
도 12은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 코팅 장치의 분해 모식도이다;
도 13는 제 1 심과 제 2 심의 중첩 구조를 나타낸 모식도이다;
도 14은 슬롯형 노즐이 형성된 전극 코팅 장치의 하면도이다.
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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 코팅 장치의 분해 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 제 1 심과 제 2 심의 중첩 구조가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 5와 도 6에는 전극 코팅 장치의 수직 단면도와 하면도가 각각 도시되어 있다.
먼저 도 3 및 도 4를 참조하면, 전극 코팅 장치(100)는 하부 다이(110), 상부 다이(120); 및 하부 다이(110)와 상부 다이(120) 사이에 개재되는 심(130; shim) 부재들이 조합된 슬롯형 다이 구조로 이루어져 있다. 즉, 상부 다이(120)와 하부 다이(110)의 사이가 하나의 슬롯이 되며, 이 슬롯에 심 부재(130)들이 장착되면서 슬롯형 다이가 구성되는 것이다.
하부 다이(110)는 제 1 전극 구성요소가 충진되는 제 1 저장부(112), 및 제 1 전극 구성요소가 제 1 저장부(112)로 유입되도록 제 1 저장부(112)와 연통되어 있는 제 1 유입부(114)를 포함한다.
상부 다이(120)는 제 2 전극 구성요소가 충진되는 제 2 저장부(122), 및 제 2 전극 구성요소가 제 2 저장부(122)로 유입되도록 제 2 저장부(122)와 연통되어 있는 제 2 유입부(124)를 포함한다.
심 부재(130)는 제 1 전극 구성요소를 제 1 저장부(112)로부터 외부로 유도하고 이를 토출하기 위한 슬롯형 노즐(도 6의 102)을 형성하는 제 1 심(131) 및 제 2 전극 구성요소를 제 2 저장부(122)로부터 외부로 유도하고 이를 토출하기 위한 슬롯형 노즐(도 6의 102)을 형성하는 제 2 심(132)으로 이루어져 있다.
제 1 심(131)은 하부 다이(110)와 제 2 심(132) 사이에 개재되며 상부 및 하부 다이(110)의 내면과 동일한 크기의 플레이트 상에 하부 다이(110)의 제 1 저장부(112)와 연통되는 제 1 중공부(131a)를 포함하고 제 1 중공부(131a)의 일측에서 제 1 중공부(131a)로부터 일체로 연장된 제 1 개구(131b)가 형성된 구조로 이루어져 있으며, 제 1 개구(131b)는 제 1 저장부(112)의 제 1 전극 구성요소가 그것을 통해 토출되는 부위이다.
제 2 심(132)은 상부 다이(120)와 제 1 심(131) 사이에 개재되며 상부 및 하부 다이(110)의 내면과 동일한 크기의 플레이트 상에 제 2 저장부(122)와 연통되는 한 쌍의 제 2 중공부(132b)들을 포함하고 각각 제 2 중공부(132b)들의 일측에서 제 2 중공부(132b)로부터 일체로 연장된 제 2 개구(132c)가 형성된 구조로 이루어져 있으며, 제 2 개구(132c)는 상부 다이(120)의 제 2 저장부(122)의 제 2 전극 구성요소가 그것을 통해 토출되는 부위이다.
여기서, 제 1 심(131)은 그것의 제 1 중공부(131a)가 평면상으로 제 1 저장부(112)와 동일한 형상으로 이루어져 있으며, 제 2 심(132)은 제 1 심(131)과 중첩된 상태에서 상부 다이의 제 2 저장부(122)로부터 제 1 중공부(131a)와 제 1 저장부(112)가 함께 밀폐되도록, 제 1 중공부(131a)와 대응되는 위치에 플레이트 형상의 제 1 격벽(132a)이 형성되어 있다. 또한, 제 1 중공부(131a)와 제 2 중공부(132b)는 상호 연통되지 않도록, 제 2 중공부(132b)들은 제 1 격벽(132a)의 양측에 형성되어 있다.
따라서, 상부 다이(120), 하부 다이(110), 제 1 심(131) 및 제 2 심(132)이 슬롯형 다이를 형성한 상태에서, 제 1 전극 구성요소는 제 1 저장부(112)로부터 제 1 심(131)의 제 1 중공부(131a)와 제 2 심(132)의 제 1 격벽(132a)에 의해 설정된 공간으로만 유동하면서 상부 다이(120) 및 제 2 심(132)의 제 2 중공부(132b)에 존재하는 제 2 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 2 개구(132c)를 통해 토출 될 수 있다.
또한, 제 2 전극 구성요소는 제 2 심(132)의 제 2 중공부(132b)가 제 1 중공부(131a)의 양 측부에 형성되어 있는 제 1 심(131)의 플레이트 외면에 의해 하부 다이(110)의 제 1 저장부(112) 및 제 1 심(131)의 제 1 중공부(131a)로부터 격리되며, 하부 다이(110) 및 제 1 심(131)의 제 1 중공부(131a)에 존재하는 제 1 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 2 개구(132c)를 통해 토출 될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전극 코팅 장치(100)는, 제 1 심(131)과 제 2 심(132)의 상이한 중공부 및 개구 위치로 인하여 도 5에서와 같이, 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소가 각각 독립적으로 토출되도록 구성되어 있을 뿐만 아니라, 제 1 및 제 2 전극 구성요소가 동시에 토출되더라도 이들 구성요소들이 서로 상이한 집전체 부위에 도포되면서 중첩되지 않는다.
한편, 하부 다이(110)의 구체적인 형상은, 육면체 구조로 이루어진 제 1 본체부(116), 및 슬롯형 노즐(102)이 형성되는 방향으로 경사를 이루도록 제 1 본체부(116)로부터 일체로 연장되어 있는 제 1 경사부(118)를 포함하며, 제 1 저장부(112)는, 상부 다이(120)를 향하는 제 1 본체부(116)의 내면에서 내향 만입된 구조로 제 1 전극 구성요소에 대한 충진 공간을 형성하고 있고, 제 1 유입부(114)는 제 1 저장부(112)와 연통된 상태로 제 1 본체부(116)의 하면을 통해 천공되어 있다.
상부 다이(120)의 구체적인 형상은 육면체 구조로 이루어진 제 2 본체부(126) 및 상기 슬롯형 노즐(102)이 형성되는 방향으로 경사를 이루도록 제 2 본체부(126)로부터 일체로 연장되어 있는 제 2 경사부(128)를 포함하고, 제 2 저장부(122)는, 상부 다이(120)를 향하는 제 2 본체부(126)의 내면에서 내향 만입된 구조로 제 2 전극 구성요소에 대한 충진 공간을 형성하고 있고, 상기 제 2 유입부(124)는 제 2 저장부(122)와 연통된 상태로 제 2 본체부(126)의 상면을 통해 천공되어 있다.
제 1 심(131)의 제 1 개구(131b)와 제 2 심(132)의 제 2 개구(132c)는 전극 코팅 장치(100)의 하면에서 상호 인접하게 위치하면서 도 6에서와 같이, 전극 코팅 장치(100)의 슬롯형 노즐(102)을 형성한다. 따라서, 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 서로 인접한 위치에서 평행하게 도포될 수 있다.
그러나, 제 1 중공부(131a)와 제 2 중공부(132b) 각각으로부터 일체로 연장된 제 1 개구(131b)와 제 2 개구(132c)는 서로에 대해 연통되지 않은 상태로 슬롯형 노즐(102)을 형성하며, 그에 따라 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 서로에 대해 혼합되지 않은 독립상의 형태로 토출될 수 있다.
또한, 제 1 개구(131b)와 제 2 개구(132c)는 평면상으로 서로에 대해 일정 거리(W)로 이격된 상태이며, 이는 전극 구성요소들이 도포된 상태에서 전극 코팅 장치(100)의 하면에 의해 평탄화되면서 도포된 형상이 양측으로 확장되는 것을 고려한 설계이며, 그에 따라 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 제 1 개구(131b)와 제 2 개구(132c)의 상이한 위치에 기반하여, 집전체의 서로 다른 부위로 토출될 수 있다.
다만, 이상에서 설명한 제 1 심(131)과 제 2 심(132)의 구조는, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 것이며, 제 1 심(131)과 제 2 심(132)에 의해 제 1 저장부(112)와 제 2 저장부(122)가 서로 연통되지 않으며, 제 1 중공부(131a)와 제 2 중공부(132b)가 서로 연통되지 않고, 제 1 개구(131b)와 제 2 개구(132c) 역시 서로 연통되지 않는다면, 개구들의 위치, 개구의 크기('개구의 폭 또는 단면적'), 개구들의 개수는 소망하는 도포 형상에 따라 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.
또한, 제 1 전극 구성요소가 독립적으로 토출되기 위해서는 하부 다이(110)와 제 1 심(131) 및 제 2 심(132)의 슬롯 구조에 기반하므로, 본 발명에서는 이와 같이 제 1 전극 구성요소가 토출에 관여하는 각 구성들의 집합체를 제 1 코팅부(104)라 정의하며, 마찬가지로, 제 2 전극 구성요소가 토출에 관여하는 각 구성들의 집합체를 제 2 코팅부(106)라 정의한다.
다시 말해서, 제 1 코팅부(104)는 하부 다이(110)를 기반으로 제 1 심(131)과 제 2 심(132)이 형성하는 슬롯형 노즐(102)을 포함하고, 상기 제 2 코팅부(106)는 상부 다이(120)를 기반으로 제 2 심(132)과 제 1 심(131)이 형성하는 슬롯형 노즐(102)을 포함하며, 제 1 코팅부(104)와 제 2 코팅부(106)는 슬롯형 노즐(102)을 상호 공유하는 형태이다.
즉, 본 발명에 따른 전극 코팅 장치(100)는 서로 다른 특성의 제 1 및 제 2 전극 구성 요소를 코팅하는 제 1 코팅부(104)와 제 2 코팅부(106)가 조합된 단일 장치로 이루어진 구조에 기반하여, 각 전극 구성 요소들을 동시에 코팅할 수 있고, 그에 따라 코팅 장치를 별개로 운용하는 방식과 비교하여 제조 공정성이 높은 장점이 있다.
도 7에는 본 발명에 따른 전극 코팅 장치가 집전체 표면에 전극 구성요소들을 도포하는 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이를 도 6과 함께 참조하면, 슬롯형 노즐(102)은, 제 1 개구(131b)에 인접한 집전체(140) 부위(a)에서의 제 1 전극 구성요소(141)의 토출량과 도포 면적이, 상대적으로 제 1 개구(131b)에 인접한 집전체(140) 부위(a)보다 먼 집전체(140) 부위(b)에서의 제 2 전극 구성요소(142)의 토출량과 도포 면적 보다 큰 구조로 이루어져 있으며, 상세하게는 제 1 개구(131b)의 수직 단면적이 제 2 개구(132c)의 수직 단면적 대비 대략 열 배의 면적으로 이루어져 있다.
따라서, 제 1 개구(131b)는 이에 인접한 집전체(140) 부위로의 도포 면적이 상대적으로 넓고, 제 2 개구(132c)는 이에 인접한 집전체(140) 부위로의 도포 면적이 좁다.
이와 동시에, 제 1 개구(131b)와 제 2 개구(132c)가 상이한 위치에서 슬롯형 노즐(102)에 형성되어 있으므로, 제 1 전극 구성요소(141)와 제 2 전극 구성요소(142)가 집전체(140)의 서로 다른 부위로 토출된다.
다만, 제 1 개구(131b)와 제 2 개구(132c)는 평면상으로 서로에 대해 일정 거리로 이격되어 있으므로, 제 1 전극 구성요소(141)와 제 2 전극 구성요소(142)의 최초 도포 시점에서는 서로 이격된 상태일 수 있으나, 도포와 동시에, 전극 구성요소들(141, 142)이 전극 코팅 장치(100)의 하면에 의해 평탄화되면서 양 방향으로 확장될 수 있으며, 그에 따라 제 1 전극 구성요소(141)와 제 2 전극 구성요소(142)는 동일 선상에서, 서로 경계를 이루며 집전체(140) 상에 형성될 수 있다.
이에 대해서는 도 8에 도시되어 있는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 수직 단면도를 통해 더욱 구체적으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 전극(200)은 집전체의 일면에 전극활물질 슬러리로서, 제 1 전극 구성요소(141)가 도포되어 있으며, 제 1 전극 구성요소(141)의 경계(I)를 기준으로, 절연물질인 제 2 전극 구성요소(142)가 도포되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극(200)은, 제 1 전극 구성요소(141)와 제 2 구성요소(142)가 서로 분명한 경계(I)를 이루며 각각 독립상의 형태로 도포되어 있으므로, 이들의 고유한 물성이 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 전극(200)은 또한, 절연물질로 인하여, 전극활물질 슬러리가 도포되지 않은 집전체 부위가 인접한 다른 극성을 가지는 전극과 접촉하면서 발생되는 단락을 방지함으로써 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 8에는 제 1 전극 구성요소를 기준으로, 양 측에서 제 2 전극 구성요소가 추가로 도포하는 전극 코팅 장치와 전극이 도시되어 있으나, 이와는 달리 도 9에 도시된 심 부재(300)를 이용하여, 제 1 전극 구성요소의 일측에서만 제 2 전극 구성요소가 도포되는 전극 코팅 장치의 구현 또한 가능하다.
구체적으로, 도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심 부재(130)들의 평면 모식도가 도시되어 있다.
이들의 기본적인 구조는 도 4와 유사하나, 제 2 심(320)은 제 1 심(310)의 제 1 중공부(310a)와 연통되지 않는 플레이트 형상으로 이루어져 있으며, 제 1 중공부(310a)와 대응되는 위치를 기준으로 일측에만 제 2 중공부(320a)가 형성되어 있는 바, 이러한 심 부재(300)를 포함하는 전극 코팅 장치는 제 2 전극 구성요소가 제 1 전극 구성요소를 기준으로 일측에 도포될 수 있다.
이와 같은 구조의 심 부재를 포함하는 전극 코팅 장치를 적용한 공정과 이로 제조된 전극의 모식도가 도 10와 도 11에 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 집전체의 시트(340)에 한 쌍의 전극 코팅 장치들(300a, 300b)이 시트(340)의 중심부(C)를 기준으로 대칭적으로 위치한 상태에서, 제 1 전극 구성요소(341)가 도포되며, 제 1 전극 구성요소(341)가 도포되지 않는 중심부(C)와 인접한 부위에 제 2 전극 구성요소(342)가 도포된다.
이러한 구조에서는 시트(340)의 중심부(C)에서, 전극 탭(210)이 돌출되는 형태로 각각 노칭될 수 있으며, 전극 탭(210)을 형성하는 부위에 절연 물질로서, 제 2 전극 구성요소(342)가 도포되어 있으므로, 노칭 공정 이후, 전극 탭(210)의 돌출 방향을 기준으로 수직 방향의 양측 단부를 연결하는 선형 구조의 절연물질 코팅 부위(342)가 형성된다.
한편, 도 12 내지 도 14에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 코팅 장치와 이를 구성하는 심 부재의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극 코팅 장치(400)는 하부 다이(410), 상부 다이(420); 및 하부 다이(410)와 상부 다이(420) 사이에 개재되는 심(430) 부재들이 조합된 슬롯형 다이 구조로 이루어져 있다. 즉, 상부 다이(420)와 하부 다이(410)의 사이가 하나의 슬롯이 되며, 이 슬롯에 심 부재(430)들이 장착되면서 슬롯형 다이가 구성된다.
하부 다이(410)는 제 1 전극 구성요소가 충진되는 제 1 저장부(412), 및 제 1 전극 구성요소가 제 1 저장부(412)로 유입되도록 제 1 저장부(412)와 연통되어 있는 제 1 유입부(414)를 포함한다.
상부 다이(420)는 제 2 전극 구성요소가 충진되는 제 2 저장부(422), 및 제 2 전극 구성요소가 제 2 저장부(422)로 유입되도록 제 2 저장부(422)와 연통되어 있는 제 2 유입부(424)를 포함한다.
심 부재(430)는 제 1 전극 구성요소를 제 1 저장부(412)로부터 외부로 유도하고 이를 토출하기 위한 슬롯형 노즐(도 14의 402)을 형성하는 제 1 심(431) 및 제 2 전극 구성요소를 제 2 저장부(422)로부터 외부로 유도하고 이를 토출하기 위한 슬롯형 노즐을 형성하는 제 2 심(432)으로 이루어져 있다.
제 1 심(431)은 제 1 중공부(431a)가 평면상으로 제 1 저장부와 동일한 형상으로 이루어져 있고, 그것의 중심부를 가로지르는 형태의 제 2 격벽(450)이 형성되어 있다.
제 2 심(432)은 제 1 심(431)과 중첩된 상태에서 상부 다이의 제 2 저장부가 제 2 격벽(450)에 의해 구획되어 있는 제 1 중공부(431a)와 제 1 저장부가 함께 밀폐되도록, 제 1 중공부(431a)와 대응되는 위치에 플레이트 형상의 한 쌍의 제 2 격벽들(432a)이 형성되어 있고, 제 2 격벽들(432a) 각각의 일측에 제 2 중공부(432b)가 형성되어 있다.
또한, 제 2 심(432)은 제 2 격벽들(432a) 사이에 제 4 격벽(434)이 형성되어 있고, 제 4 격벽(434)의 양측에는 제 2 저장부와 연통되는 제 3 중공부(433a)가 추가로 형성되어 있다.
여기서, 제 3 중공부(433a)는, 제 1 심(431)과 제 2 심(432)이 중첩된 상태에서, 제 1 심(431)의 제 2 격벽(450)에 의해 하부 다이의 제 1 저장부와 제 1 중공부(431a)로부터 밀폐되어 있고, 제 3 중공부(433a)의 일측에 제 2 전극 구성요소의 토출을 위한 제 3 개구(436)가 추가로 형성되어 있다.
이러한 구조는 제 1 전극 구성요소가 제 1 심(431)의 제 1 중공부(431a)와 제 2 격벽(450) 및 제 2 심(432)의 제 2 격벽들(432a)에 의해 설정된 공간으로만 유도되면서 상부 다이 및 제 2 심(432)의 제 2 중공부(432b)와 제 3 중공부(433a)에 존재하는 제 2 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 1 개구(431b)를 통해 토출 될 수 있다.
마찬가지로, 제 2 전극 구성요소는 제 2 심(432)의 제 2 중공부(432b)가 제 1 심(431)의 외면에 의해 하부 다이의 제 1 저장부 및 제 1 심(431)의 제 1 중공부(431a)로부터 격리되므로, 하부 다이 및 제 1 심(431)의 제 1 중공부(431a)에 존재하는 제 1 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 2 개구(432c)를 통해 토출 될 수 있다.
또한, 제 2 전극 구성요소는 제 2 심(432)의 제 3 중공부(433a)가 제 1 심(431)의 제 2 격벽(450)에 의해 하부 다이의 제 1 저장부 및 제 1 심(431)의 제 1 중공부(431a)로부터 추가로 격리되며, 하부 다이 및 제 1 심(431)의 제 1 중공부(431a)에 존재하는 제 1 전극 구성요소와는 혼합되지 않은 상태로 제 3 개구(436)를 통해 토출 될 수 있다.
이와 같이, 상기 제 1 심(431)의 제 1 개구(431b)와 제 2 심(432)의 제 2 개구(432c) 및 제 3 개구(436)는 슬롯형 노즐을 형성하도록 상호 인접하게 형성되되, 제 1 중공부(431a), 제 2 중공부(432b) 및 제 3 중공부(433a) 각각으로부터 일체로 연장된 제 1 개구(431b)와 제 2 개구(432c) 및 제 3 개구(436)가 서로 연통되지 않으며, 결과적으로 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 서로에 대해 혼합되지 않은 독립상의 형태로 토출될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 집전체 상에 서로 다른 특성을 가진 전극 구성요소들을 동시에 코팅하는 장치로서,
    제 1 전극 구성요소를 집전체 상에 도포하는 제 1 코팅부, 및 상기 제 1 코팅부와 조합된 구조로 이루어져 있고 제 2 전극 구성요소를 도포하는 제 2 코팅부를 포함하고 있고;
    상기 제 1 전극 구성요소와 제 2 전극 구성요소는 각각 제 1 코팅부와 제 2 코팅부를 통해 동시에 집전체 상에 도포되고,
    상기 제 1 코팅부와 제 2 코팅부가 상호 조합된 슬롯 다이 구조로 이루어져 있고,
    상기 슬롯 다이 구조는,
    제 1 전극 구성요소가 충진되는 제 1 저장부, 및 제 1 전극 구성요소가 제 1 저장부로 유입되도록 제 1 저장부와 연통되어 있는 제 1 유입부가 구비되어 있는 하부 다이;
    상기 제 2 전극 구성요소가 충진되는 제 2 저장부, 및 제 2 전극 구성요소가 제 2 저장부로 유입되도록 제 2 저장부와 연통되어 있는 제 2 유입부가 구비되어 있는 상부 다이; 및
    상기 하부 다이와 상부 다이 사이에 개재되어 슬롯형 노즐을 형성하며, 제 1 저장부의 제 1 전극 구성요소와 제 2 저장부의 제 2 전극 구성요소가 슬롯형 노즐을 통해 토출되는 심(shim) 부재;
    를 포함하고,
    상기 심 부재는, 제 1 전극 구성요소의 토출을 위한 제 1 심과, 제 2 전극 구성요소를 토출하기 위한 제 2 심으로 이루어져 있고,
    상기 제 1 심은,
    상기 하부 다이와 상기 제 2 심 사이에 개재되어 있으며,
    상기 제 1 저장부와 연통되는 제 1 중공부; 및
    상기 제 1 중공부의 일측에 형성되어 제 1 전극 구성요소를 토출하는 하나의 제 1 개구를 포함하고,
    상기 제 2 심은,
    상기 제 1 심과 상기 상부 다이 사이에 개재되어 있으며,
    플레이트 형상으로서, 상기 제 1 중공부와 대응되는 위치에 형성된 격벽;
    상기 제 2 저장부와 연통되고, 상기 격벽의 일측 또는 양측에 형성된 제 2 중공부; 및
    상기 제 2 중공부의 일측에 형성되어 제 2 전극 구성요소를 토출하는 하나 또는 둘의 제 2 개구를 포함하고,
    상기 제 1 중공부와 제 2 중공부가 상호 연통되지 않는 형상으로 제 1 심 및 제 2 심에 각각 형성되어 있고,
    상기 제 2 전극 구성요소는 집전체에서 전극활물질 슬러리가 코팅되지 않은 집전체 부위(b)의 절연성을 담보하기 위한 절연물질이며,
    상기 슬롯형 노즐은, 제 1 개구에 인접한 집전체 부위(a)에서의 제 1 전극 구성요소의 토출량과 도포 면적이 상대적으로, 집전체 부위(a)보다 먼 집전체 부위(b)에서의 제 2 전극 구성요소의 토출량과 도포 면적 보다 크도록, 제 1 개구의 수직 단면적이 제 2 개구의 수직 단면적보다 상대적으로 크고,
    상기 제 1 개구와 제 2 개구는 평면상으로 서로에 대해 이격되어 있고,
    상기 제 1 개구의 수직 단면적은 제 2 개구의 수직 단면적 대비 300% 내지 3000%인 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 다이는,
    육면체 구조로 이루어진 제 1 본체부, 및 상기 슬롯형 노즐이 형성되는 방향으로 경사를 이루도록 제 1 본체부로부터 일체로 연장되어 있는 제 1 경사부를 포함하고 있고;
    상기 제 1 저장부는, 상부 다이를 향하는 제 1 본체부의 내면에서 내향 만입된 구조로 제 1 전극 구성요소에 대한 충진 공간을 형성하고 있고, 상기 제 1 유입부는 제 1 저장부와 연통된 상태로 제 1 본체부의 외면 중 어느 하나를 통해 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 다이는,
    육면체 구조로 이루어진 제 2 본체부, 및 상기 슬롯형 노즐이 형성되는 방향으로 경사를 이루도록 제 2 본체부로부터 일체로 연장되어 있는 제 2 경사부를 포함하고 있고;
    상기 제 2 저장부는, 상부 다이를 향하는 제 2 본체부의 내면에서 내향 만입된 구조로 제 2 전극 구성요소에 대한 충진 공간을 형성하고 있고, 상기 제 2 유입부는 제 2 저장부와 연통된 상태로 제 2 본체부의 외면 중 어느 하나를 통해 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서 상기 제 1 심은, 상부 및 하부 다이의 내면과 동일한 크기의 플레이트 상에 제 1 중공부 및 상기 중공부로부터 일체로 연장된 제 1 개구가 형성된 구조로 이루어져 있고,
    상기 제 2 심은, 제 1 심과 동일한 크기의 플레이트 상에 제 2 중공부 및 상기 중공부로부터 일체로 연장된 제 2 개구가 형성된 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 심은, 제 1 중공부가 평면상으로 제 1 저장부와 동일한 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 심의 개구와 제 2 심의 개구는 슬롯형 노즐을 형성하도록 상호 인접하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 부위(a)는 집전체의 전체 면적 대비 80% 내지 99%의 면적을 가지도록 집전체 부위(b)로부터 구획된 부위이고, 상기 집전체 부위(b)는 상기 집전체 부위(a)의 경계로부터 일측 또는 상호 대향되는 경계들로부터 양측으로 연장된 집전체의 나머지 부위인 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 집전체 부위(a)에는 제 1 전극 구성요소가 도포되며, 상기 집전체 부위(b)에는 제 2 전극 구성요소가 제 1 전극 구성요소에 대해 경계를 이루며 도포되는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 구성요소는 이차전지용 양극활물질 또는 음극활물질; 전극 첨가제; 및 용매를 포함하는 전극활물질 슬러리인 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
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