KR102312702B1 - 소망하는 코팅 면적에 따라 형태를 변경할 수 있는 코팅-롤 어셈블리를 포함하는 전극 코팅 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 슬러리를 수용하고 있는 슬러리 공급부; 상기 슬러리 공급부에 수용된 전극 슬러리를 표면에 묻힌 상태로 축을 중심으로 회전하면서 금속 시트에 전극 슬러리를 전사하는 형태로 코팅하는 코팅-롤 어셈블리; 및 금속 시트의 미코팅 부위가 코팅-롤 어셈블리에 연속적으로 인접되도록, 금속 시트에 밀착된 상태로 축을 중심으로 회전하면서 금속 시트의 이동을 유도하는 가이드 롤;을 포함하고 있고, 상기 코팅-롤 어셈블리는, 둘 이상의 유닛-롤들이 분리 가능한 형태로 축에 장착되어 있고, 유닛-롤들이 축을 중심으로 회전하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치를 제공한다.

Description

소망하는 코팅 면적에 따라 형태를 변경할 수 있는 코팅-롤 어셈블리를 포함하는 전극 코팅 장치 {Electrode Coating Apparatus Comprising Coating-Roll Assembly Capable of Modifying Form thereof Depending on Desired Coating Area}
본 발명은 소망하는 코팅 면적에 따라 형태를 변경할 수 있는 코팅-롤 어셈블리를 포함하는 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 건조되는 코팅 공정으로 제조된다.
이러한 코팅 공정으로는 크게 슬롯 다이를 이용하여 전극 슬러리를 집전체 상에 토출하는 슬롯 다이 코팅 방식과 전극 슬러리를 회전 롤에 묻힌 후, 전극 슬러리가 묻어있는 회전 롤이 회전하면서 집전체에 전사하는 롤 코팅 방식을 예로 들 수 있다.
롤 코팅 방식을 수항해는 코팅 장치(10)의 개략적인 구조는 도 1에서와 같이 전극 슬러리가 묻어있는 회전 롤(11)이 회전하고, 이 회전 롤(11)에 집전체가 밀착된 상태로 이동하면서 회전 롤(11)에 묻어있는 전극 슬러리가 집전체로 전사되는 방식이다.
그러나, 상기 롤 코팅 장치는 단일 회전 롤을 이용하여 전극 슬러리를 전사하므로, 전극 슬러리의 전사 면적을 변경할 수 없고, 다양한 크기의 전극 제조가 불가능한 단점이 있다.
또한, 상기 단일 회전 롤만을 이용하는 장치는, 전극 슬러리가 집전체 상에서 일정한 패턴을 형성하도록 전사할 수 없으므로, 전극의 형태 또한 다양하게 제조할 수 없다.
따라서 이러한 기술적 문제들을 일거에 해소할 수 있는 새로운 코팅 장치의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명의 목적은, 소망하는 전극의 형태와 사이즈에 따라 전극 슬러리의 전사 형태와 면적을 탄력적으로 조정할 수 있도록 둘 이상의 유닛-롤들이 분리 가능한 형태로 축에 장착되어 있는 구조로 그것의 형태를 자유롭게 변형할 수 있는 코팅-롤 어셈블리를 포함하는 전극 코팅 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 코팅 장치는,
전극 활물질을 함유하는 전극 슬러리를 도전성 금속 시트상에 코팅하는 장치로서,
전극 슬러리를 수용하고 있는 슬러리 공급부;
상기 슬러리 공급부에 수용된 전극 슬러리를 표면에 묻힌 상태로 축을 중심으로 회전하면서 금속 시트에 전극 슬러리를 전사하는 형태로 코팅하는 코팅-롤 어셈블리; 및
금속 시트의 미코팅 부위가 코팅-롤 어셈블리에 연속적으로 인접되도록, 금속 시트에 밀착된 상태로 축을 중심으로 회전하면서 금속 시트의 이동을 유도하는 가이드 롤;
을 포함하고 있고,
상기 코팅-롤 어셈블리는, 둘 이상의 유닛-롤들이 분리 가능한 형태로 축에 장착되어 있고, 유닛-롤들이 축을 중심으로 회전하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이러한 구조의 이점은, 유닛-롤들의 조합이 가능한 코팅-롤 어셈블리이며, 특히 상기 코팅-롤 어셈블리에서 유닛-롤들의 배열과 개수를 조정하여 전극 슬러리의 전사 형태와 면적이 조정될 수 있고, 이에 따라 코팅 형태와 크기가 상이한 전극들의 코팅 공정에 사용될 수 있는 범용성이다.
또 다른 이점은, 마모되거나 파손된 유닛-롤들을 교체할 수 있으므로, 단일 회전 롤을 이용하는 코팅 장치와 비교하여 유지 보수가 유리한 점이다.
본 발명에 따른 전극 코팅 장치의 구체적인 구조에 기반한 또 다른 이점들을 비 제한적인 예들을 통해 이하에 상세하게 설명할 것이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가이드 롤은,
전진, 후진, 상승 및 하강에서 선택되는 적어도 하나의 운동을 통해 어느 하나의 유닛-롤에 대한 거리를 조정하는 제 3 축과, 상기 제 3 축과 함께 피벗 회전하는 롤러를 포함할 수 있다.
상기 코팅-롤 어셈블리는,
가이드 롤과 대향하는 방향 또는 동일 방향으로 피벗 회전하는 제 1 축; 및
상기 제 1 축에 분리 가능한 형태로 밀집되어 있는 n개(n≥2)의 유닛-롤들;을 포함하고 있고,
상기 전극 슬러리가 유닛-롤들 각각에 묻어진 상태에서, 유닛-롤들 각각이, 인접해 있는 금속 시트의 서로 다른 부위들에 전극 슬러리를 코팅하는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 코팅-롤 어셈블리는 유닛-롤들 각각이 금속 시트를 코팅하도록 구성된 바, 만약 유닛-롤들이 이격되도록 제 1 축에 배열되는 경우, 유닛-롤들 사이에 위치하는 금속 시트에는 코팅 량이 적거나 또는 전극 슬러리의 코팅이 없는 무지부 형태로 공정이 수행되면서 금속 시트에 패턴을 형성할 수 있다.
이와는 달리 유닛-롤들이 전극 슬러리의 코팅 두께를 고려하여 특정한 거리로 이격되는 경우, 유닛-롤들 사이에 위치하는 금속 시트 부위와 유닛-롤들 각각에 대면하는 금속 시트 부위가 거의 동일한 두께의 전극 슬러리로 코팅될 수도 있다.
구체적으로, 상기 n개의 유닛-롤들 각각은, 인접해 있는 유닛-롤과 0.1 밀리미터 내지 5 밀리미터의 거리로 이격되는 형태로 제 1 축에 장착되면서, 제 1 축 상에 간극을 형성하고;
상기 간극에 대면하는 금속 시트의 부위는, 유닛-롤로부터 묻어진 전극 슬러리의 일부가 유닛-롤의 압력에 의해 번지는 형태로 코팅될 수 있다.
일반적으로, 전극에서 전극 슬러리의 코팅 두께는 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터를 이룰 수 있으며, 이와 같이 상대적으로 얇은 두께는, 적은 전극 슬러리가 압력으로 번지는 현상으로 충분히 달성될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 상기 간극으로 전극 슬러리가 번지는 현상으로 전극 슬러리가 금속 시트 상에 균일한 두께로 코팅되도록 유닛-롤들을 이격시킬 수 있으며, 상기 이격 간격은 금속 시트 상에서 전극 슬러리가 균일한 두께로 코팅될 수 있는 범위임을 이해할 수 있다.
구체적으로, 상기 간극의 거리가 0.1 밀리미터 미만인 경우, 전극 슬러리의 도포 두께에 관계 없이 간극 상에 전극 슬러리가 두껍게 형성되며, 이는 전극 슬러리가 번지는 량은 많되, 간극의 좁은 공간에 전극 슬러리가 밀집되는 것이 이유이다.
상기 간극의 거리가 5 밀리미터 초과이고, 전극 슬러리의 코팅 두께가 상대적으로 두껍게 코팅되어야 한다면, 간극 상에 전극 슬러리가 얇게 형성되며, 이는 전극 슬러리가 번지는 량이 적되, 간극의 넓은 공간으로 전극 슬러리가 충분히 번지지 않는 점에 기인한다.
이와는 달리, 간극의 거리가 5 밀리미터 초과이고, 전극 슬러리의 코팅 두께가 상대적으로 얇게 코팅되어야 한다면, 간극 상에 전극 슬러리가 거의 형성되지 않아 무지부가 형성될 수 있으며, 이는 전극 슬러리가 번지는 량이 적되, 간극의 넓은 공간으로 전극 슬러리가 거의 번지지 않는 점에 기인한다.
상기 간극 범위 내에서, 전극의 두께는 10 마이크로미터 내지 100 마이크로 미터일 수 있다.
물론, 전극 슬러리의 균일한 코팅을 고려하지 않는 경우, 예를 들어, 간극에 대응하는 금속 시트 부위에 전극 슬러리가 도포되지 않은 무지부나, 얇은 코팅 두께 등의 패턴을 형성하는 경우에는, 상기 간극의 거리를 벗어나도록 유닛-롤들을 배열할 수도 있다.
본 발명에서, 상기 유닛-롤들은 모두 동일한 직경을 가지는 원통의 형상이고, 동일한 회전 속도로 제 1 축과 함께 피벗 회전하는 구조일 수 있다.
상기 유닛-롤들에는 전극 슬러리의 전사 시, 슬러리를 소정의 온도로 승온 시켜 슬러리의 시트 상 고착이 용이하게 하기 위한 가열 수단이 구비되어 있을 수 있으며, 가열 수단은 열선 등의 가열 부재로서, 유닛-롤 내측에 위치할 수 있다.
상기 유닛-롤들의 표면은 전극 슬러리가 잘 묻어나도록, 표면이 미세 요철 구조를 가질 수 있으며, 경우에 따라서는 표면에 마모 방지를 위한 티타늄, 또는 카본계 물질이 코팅되어 있을 수 있다.
상기 코팅-롤 어셈블리는 또한, 제 1 유닛-롤로부터 제 n 유닛-롤의 순서로 유닛-롤들이 제 1 축에 배열된 상태에서,
적어도 하나 이상의 유닛-롤이 제 1 축으로부터 분리되면서 그것의 전사 형태가 변형될 수 있다.
여기서, 제 1 유닛-롤을 제외한 n-1개의 유닛-롤들 중 적어도 하나가, 제 n 유닛-롤로부터 제 2 유닛-롤의 순서로 제 1 축으로부터 분리되는 형태로 그것의 전사 형태가 조정될 수 있다.
이와는 달리, 홀수 또는 짝수 번째의 유닛-롤들이 제 1 축으로부터 분리되는 형태로 그것의 전사 형태가 조정될 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 전극 슬러리의 도포 두께를 제어하도록, 상기 제 1 축은, 가이드 롤의 회전 축을 기준으로, 전진, 후진, 상승 및 하강에서 선택되는 적어도 하나의 운동을 통해 금속 시트와 코팅-롤 어셈블리와의 간격을 설정할 수 있으며, 상기 간격은 코팅 두께의 90% 내지 110%일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전극 코팅 장치는 소정의 위치에서 피벗 회전하는 조정 롤을 더 포함할 수 있다.
상기 조정 롤은 구체적으로, 제 1 축을 기준으로 전진, 후진, 상승 및 하강에서 선택되는 적어도 하나의 운동을 통해 어느 하나의 유닛-롤에 대한 거리를 조정하는 제 2 축과, 상기 제 2 축과 함께 피벗 회전하는 롤러를 포함할 수 있으며, 상기 거리는 코팅 두께의 90% 내지 100%일 수 있다.
상기 조정 롤의 하나의 구체적인 예에서,
전극 슬러리 전사 직후 금속 시트로부터의 밀착이 해제된 유닛-롤들이 상기 소정의 위치에 도달하면, 유닛-롤 표면에 남아 있는 전극 슬러리를 소정의 두께로 평탄화시키도록 구성될 수 있다.
유닛-롤들에 남아있는 전극 슬러리들은 두께가 일정하지 않기 때문에, 이후 유닛-롤들이 슬러리 공급부에 도달하여 전극 슬러리를 수령할 때, 전극 슬러리가 불균일하게 유닛-롤들에 묻어지는 원인이 되며, 이와 같이 전극 슬러리가 불균일하게 묻어진 상태에서는 유닛-롤로부터 전사되는 전극 슬러리가 금속 시트에 불균일하게 전사될 수 있다.
따라서, 상기 조정 롤은 유닛-롤들에 남아 있는 전극 슬러리를 평탄화 하여 상기 문제점을 해소할 수 있다.
상기 조정 롤의 또 다른 구체적인 예에서, ,
슬러리 공급부로부터 전극 슬러리가 묻혀진 유닛-롤들이 금속 시트에 도달하기 이전에 유닛-롤 표면에 묻어있는 전극 슬러리를 소정의 두께로 평탄화시키도록 구성될 수 있다.
상기 구조의 조정 롤은, 금속 시트에 전극 슬러리가 전사되기 이전에 유닛-롤에 묻어있는 전극 슬러리의 두께를 일정하게 평탄화 시키므로, 이후 유닛-롤의 전사 과정에서 전극 슬러리가 금속 시트 상에 균일한 두께로 도포될 수 있다.
상기 소정의 위치는, 코팅-롤 어셈블리의 회전 방향을 기준으로, 슬러리 공급부로부터 가이드 롤까지의 사이, 또는 가이드 롤로부터 슬러리 공급부까지의 사이일 수 있다.
상기 조정 롤의 회전 속도가 빠를수록, 유닛-롤에 묻어있는 전극 슬러리의 두께가 얇게 평탄화되며, 조정 롤의 회전 속도가 느릴수록, 유닛-롤에 묻어있는 전극 슬러리의 두께가 두껍게 평탄화된다.
다만, 조정 롤의 회전 속도가 유닛-롤의 회전 속도 대비 과도하게 느리거나 빠른 경우에는 서로 회전하는 이들 롤러의 속도 차이로 인하여 유닛-롤 상의 전극 슬러리는 그것의 두께 증감이 반복적으로 형성되는 형태를 가지게 되며, 결과적으로 전극 슬러리의 불균일한 코팅 공정이 수행될 수 있다.
이를 고려하여 본 발명에서는 조정 롤의 회전 속도를 코팅 롤의 회전 속도 대비 80% 내지 120%의 범위로 설정할 수 있으며, 상기 범위 내에서 조정 롤의 회전 속도가 가변적으로 조정될 수 있다.
본 발명은 또한, 전극 코팅 장치를 이용하여 전극 슬러리를 도전성 금속 시트에 코팅하는 방법을 제공한다.
상기 방법은 구체적으로,
코팅-롤 어셈블리의 유닛-롤들이 배열된 총 길이가 금속 시트의 폭 대비 30% 내지 90%이 되도록, 유닛-롤들을 제 1 축 상에 분리 또는 장착하는 과정;
코팅-롤 어셈블리, 가이드 롤 및 조정 롤을 회전시키면서 금속 시트를 투입하고, 코팅-롤 어셈블리의 유닛-롤 각각에 전극 슬러리를 묻히는 과정; 및
가이드 롤에 의해 이동하는 금속 시트가 코팅-롤 어셈블리의 유닛-롤들에 인접되면서 유닛-롤의 전극 슬러리가 금속 시트 표면으로 전사되는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방법은 또한, 조정 롤러를 통해 유닛-롤에 묻어있는 전극 슬러리를 소정의 두께로 평탄화시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
이때, 코팅-롤 어셈블리, 가이드 롤 및 조정 롤 중 적어도 하나를 전진, 후진, 상승 및/또는 하강시켜, 금속 시트에 코팅되는 전극 슬러리의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극 코팅 장치로 제조된 전극 및 상기 전극을 포함하는 전지셀을 제공한다.
상기 전극은 양극 또는 음극일 수 있으며, 상기 전지셀은 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.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 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 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 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, 유닛-롤들의 조합이 가능한 코팅-롤 어셈블리를 포함하는 바, 상기 코팅-롤 어셈블리에서 유닛-롤들의 배열과 개수를 조정하여 전극 슬러리의 전사 형태와 면적이 조정될 수 있고, 이에 따라 코팅 형태와 크기가 상이한 전극들의 코팅 공정에 사용될 수 있는 범용성을 가진다.
또한 상기 구조에서는 마모되거나 파손된 유닛-롤들을 교체할 수 있으므로, 단일 회전 롤을 이용하는 코팅 장치와 비교하여 유지 보수가 유리한 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 코팅 장치의 모식도이다;
도 2 내지 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 코팅 장치의 모식도들이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 코팅 장치의 측면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 코팅 장치(100)의 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 전극 코팅 장치(100)는, 전극 슬러리(2)를 수용하고 있는 슬러리 공급부(140), 슬러리 공급부(140)에 수용된 전극 슬러리(2)를 표면에 묻힌 상태로 축을 중심으로 회전하면서 금속 시트(1)에 전극 슬러리(2)를 전사하는 형태로 코팅하는 코팅-롤 어셈블리(110), 금속 시트(1)의 미코팅 부위가 코팅-롤 어셈블리(110)에 연속적으로 인접되도록, 금속 시트(1)에 밀착된 상태로 축을 중심으로 회전하면서 금속 시트(1)의 이동을 유도하는 가이드 롤(130) 및 조정 롤(120)을 포함하고 있다.
가이드 롤(130)은, 전진, 후진, 상승 및 하강이 가능한 제 3 축(131)과 롤러(132)를 포함하고 있다.
제 3 축(131)은 전진, 후진, 상승 및 하강의 운동을 통해 코팅-롤 어셈블리(110)에 대한 롤러(132)의 거리를 조정한다. 이는 금속 시트(1)에 대한 장력 형성을 위해서도 수행될 수 있다.
코팅-롤 어셈블리(110)는, 가이드 롤(130)과 대향하는 방향으로 피벗 회전하는 제 1 축(111); 및 제 1 축(111)에 분리 가능한 형태로 밀집되어 있는 3 개의 유닛-롤들(112, 114, 116)을 포함하고 있다.
유닛-롤들(112, 114, 116)은 전극 슬러리(2)를 각각의 표면에 묻어진 상태에서, 인접해 있는 금속 시트(1)의 서로 다른 부위들에 전극 슬러리(2)를 코팅하는 롤러들이다.
이처럼 코팅-롤 어셈블리(110)는 제 1 유닛-롤(112)로부터 제 3 유닛-롤(116)의 순서로 유닛-롤들(112, 114, 116)이 제 1 축(111)에 분리 가능한 형태로 배열되어 있는 바, 이들 중 적어도 하나가 제 1 축(111)으로부터 분리되면서 그것의 전사 형태가 변형될 수 있고, 반대로 제 4 유닛-롤이 장착될 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극 코팅 장치(100)는, 유닛-롤들(112, 114, 116)의 조합이 가능한 코팅-롤 어셈블리(110)를 포함하는 바, 코팅-롤 어셈블리(110)에서 유닛-롤들(112, 114, 116)의 배열과 개수를 조정하여 전극 슬러리(2)의 전사 형태와 면적이 조정될 수 있고, 이에 따라 코팅 형태와 크기가 상이한 전극들의 코팅 공정에 사용될 수 있는 범용성을 가진다.
여기서, 제 1 유닛-롤(112)을 제외한 유닛-롤들(114, 116) 중 적어도 하나 이상이, 제 3 유닛-롤로부터 제 2 유닛-롤의 순서로 제 1 축(111)으로부터 분리되는 형태로 그것의 전사 형태가 조정될 수 있다.
이 유닛-롤들(112, 114, 116)은 모두 동일한 직경을 가지는 원통의 형상이고, 동일한 회전 속도로 제 1 축(111)과 함께 피벗 회전하도록 구성되어 있다.
유닛-롤들(112, 114, 116)은, 서로 인접해 있는 유닛-롤에 대해 소정의 거리로 이격되는 형태로 제 1 축(111)에 장착되어 있으며, 이에 따라, 유닛-롤들(112, 114, 116)이 이격된 거리 만큼 제 1 축(111) 상에 간극(3)을 형성된다.
이러한 구조에서는, 유닛-롤들(112, 114, 116) 각각이, 이들에 면하는 금속 시트(1) 부위로 전극 슬러리(2)를 전사 하며, 전사될 때, 유닛-롤들(112, 114, 116)이 형성하는 압력에 의해, 전극 슬러리(2)는 금속 시트(1) 상에서 소정의 두께 만큼 압축될 수 있다.
이때, 전극 슬러리(2)는 유닛-롤의 압력에 의해 상기 간극(3)에 대면하는 금속 시트(1)의 부위로 번지게 되는데, 이 번짐에 의해, 유닛-롤들(112, 114, 116)에 대면하고 있지 않은 금속 시트(1) 부위에도 전극 슬러리(2)가 코팅된다.
한편, 코팅-롤 어셈블리(110)의 유닛-롤들(112, 114, 116)은 회전하면서, 슬러리 공급부(140)로부터 자연스럽게 전극 슬러리(2)를 이들 표면에 묻힐 수 있고, 전극 슬러리(2)가 묻어있는 유닛-롤들(112, 114, 116)이 더 회전하면, 가이드 롤(130)을 따라 유닛-롤의 회전 방향과 대향 방향으로 이동하는 금속 시트(1) 상에 전극 슬러리(2)를 전사하게 된다.
이 구조에서 전극 슬러리(2)의 코팅 두께는 가이드 롤(130)과 유닛-롤들(112, 114, 116)의 거리를 조정하여 조절할 수 있으며, 이를 위해, 제 1 축(111)과 제 3 축(131) 각각 상하좌우 중 적어도 하나의 방향으로 운동하도록 구성되어 있다.
도 2 내지 도 4의 구조에서 조정 롤(120)은 제 1 축(111)을 기준으로 전진, 후진, 상승 및 하강에서 선택되는 적어도 하나의 운동을 통해 어느 하나의 유닛-롤에 대한 거리를 조정하는 제 2 축(121)과, 상기 제 2 축(121)과 함께 피벗 회전하는 롤러(121)를 포함하고 있다.
조정 롤(120)은 코팅-롤 어셈블리(110)의 회전 방향을 기준으로 가이드 롤(130)로부터 슬러리 공급부(140)까지의 사이에 위치하면서, 전극 슬러리(2) 전사 직후 금속 시트(1)로부터의 밀착이 해제된 유닛-롤들(112, 114, 116)이 도달하면, 유닛-롤 표면에 남아 있는 전극 슬러리(2)를 소정의 두께로 평탄화시킨다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 코팅 장치의 측면 모식도가 도시되어 있다.
도 5에 따른 전극 코팅 장치(200)는, 코팅-롤 어셈블리(210)가 가이드 롤(130)과 동일한 방향으로 피벗 회전하는 제 1 축(211); 및 제 1 축(211)에 분리 가능한 형태로 밀집되어 있는 3 개의 유닛-롤들(212, 214, 216)을 포함하고 있으며, 슬러리 공급부(240)로부터 공급되는 전극 슬러리(2')가 유닛-롤들(212, 214, 216) 각각의 표면에 묻어진 상태에서, 조정 롤(220)이 유닛-롤에 묻어진 전극 슬러리(2)를 소정의 두께로 평탄화시키도록 구성되어 있다.
즉, 조정 롤(220)은, 슬러리 공급부(240)로부터 가이드 롤(230)까지의 사이에 위치하면서, 전극 슬러리(2)가 묻혀진 유닛-롤들(212, 214, 216)이 금속 시트(1')에 도달하기 이전에 유닛-롤 표면에 묻어있는 전극 슬러리(2')를 소정의 두께로 평탄화시킨다.
이 구조에서는 조정 롤(220)이 전극 슬러리(2')의 코팅 두께를 조정할 수 있으며, 상기 조정은 조정 롤(220)과 코팅-롤 어셈블리(210)의 유닛-롤들(212, 214, 216)과의 거리 및 조정 롤(120)의 회전 속도로 조절된다.
즉, 제 2 축(221)이 운동하여 조정 롤(220)을 유닛-롤 방향으로 이동시키면, 전극 슬러리(2')가 유닛-롤 상에서 얇게 평탄화되고, 이에 따라 유닛-롤로부터 금속 시트(1')로의 전극 슬러리(2') 전사 두께가 결정될 수 있다.
또한, 조정 롤(220)의 회전 속도가 빨라질수록, 전극 슬러리(2')가 얇게 평탄화되고, 반대로 회전 속도가 느려질수록 전극 슬러리(2')가 두껍게 평탄화될 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 함유하는 전극 슬러리를 도전성 금속 시트상에 코팅하는 장치로서,
    전극 슬러리를 수용하고 있는 슬러리 공급부;
    상기 슬러리 공급부에 수용된 전극 슬러리를 표면에 묻힌 상태로 축을 중심으로 회전하면서 금속 시트에 전극 슬러리를 전사하는 형태로 코팅하는 코팅-롤 어셈블리; 및
    금속 시트의 미코팅 부위가 코팅-롤 어셈블리에 연속적으로 인접되도록, 금속 시트에 밀착된 상태로 축을 중심으로 회전하면서 금속 시트의 이동을 유도하는 가이드 롤;을 포함하고 있고,
    상기 코팅-롤 어셈블리는, 둘 이상의 유닛-롤들이 분리 가능한 형태로 축에 장착되어 있고, 유닛-롤들이 축을 중심으로 회전하는 구조로 이루어지며,
    상기 코팅-롤 어셈블리는,
    가이드 롤과 대향하는 방향 또는 동일 방향으로 피벗 회전하는 제 1 축; 및
    상기 제 1 축에 분리 가능한 형태로 밀집되어 있는 n개(n≥2)의 유닛-롤들;
    을 포함하고 있고,
    상기 전극 슬러리가 유닛-롤들 각각에 묻어진 상태에서, 유닛-롤들 각각이, 인접해 있는 금속 시트의 서로 다른 부위들에 전극 슬러리를 코팅하고,
    상기 n개의 유닛-롤들 각각은, 인접해 있는 유닛-롤과 이격되는 형태로 제1축에 장착되면서, 제1축 상에 간극을 형성하고,
    상기 간극에 대면하는 금속 시트의 부위는, 유닛-롤로부터 묻어진 전극 슬러리의 일부가 유닛-롤의 압력에 의해 번지는 형태로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 n개의 유닛-롤들 각각은, 인접해 있는 유닛-롤과 0.1 밀리미터 내지 5 밀리미터의 거리로 이격되는 형태로 제 1 축에 장착되면서, 제 1 축 상에 간극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유닛-롤들은 모두 동일한 직경을 가지는 원통의 형상이고, 동일한 회전 속도로 제 1 축과 함께 피벗 회전하는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 전극 슬러리의 도포 두께를 제어하도록, 상기 제 1 축은, 가이드 롤의 회전 축을 기준으로, 전진, 후진, 상승 및 하강에서 선택되는 적어도 하나의 운동을 통해 금속 시트와 코팅-롤 어셈블리와의 간격을 설정하는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 간격은 코팅 두께의 90% 내지 110%인 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 코팅 장치는 소정의 위치에서 피벗 회전하는 조정 롤을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 조정 롤은,
    전극 슬러리 전사 직후 금속 시트로부터의 밀착이 해제된 유닛-롤들이 상기 소정의 위치에 도달하면, 유닛-롤 표면에 남아 있는 전극 슬러리를 소정의 두께로 평탄화시키는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 조정 롤은,
    슬러리 공급부로부터 전극 슬러리가 묻혀진 유닛-롤들이 금속 시트에 도달하기 이전에 유닛-롤 표면에 묻어있는 전극 슬러리를 소정의 두께로 평탄화시키는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 조정 롤은,
    제 1 축을 기준으로 전진, 후진, 상승 및 하강에서 선택되는 적어도 하나의 운동을 통해 어느 하나의 유닛-롤에 대한 거리를 조정하는 제 2 축과, 상기 제 2 축과 함께 피벗 회전하는 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 거리는 코팅 두께의 90% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 소정의 위치는, 코팅-롤 어셈블리의 회전 방향을 기준으로, 슬러리 공급부로부터 가이드 롤까지의 사이, 또는 가이드 롤로부터 슬러리 공급부까지의 사이인 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 조정 롤의 회전 속도는 코팅 롤의 회전 속도 대비 80% 내지 120%의 범위에서 가변적으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅-롤 어셈블리는, 제 1 유닛-롤로부터 제 n 유닛-롤의 순서로 유닛-롤들이 제 1 축에 배열된 상태에서,
    적어도 하나 이상의 유닛-롤이 제 1 축으로부터 분리되면서 그것의 전사 형태가 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 가이드 롤은,
    전진, 후진, 상승 및 하강에서 선택되는 적어도 하나의 운동을 통해 어느 하나의 유닛-롤에 대한 거리를 조정하는 제 3 축과, 상기 제 3 축과 함께 피벗 회전하는 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 코팅 장치.
  16. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 전극 코팅 장치를 이용하여 전극 슬러리를 도전성 금속 시트에 코팅하는 방법으로서,
    코팅-롤 어셈블리의 유닛-롤들이 배열된 총 길이가 금속 시트의 폭 대비 30% 내지 90%이 되도록, 유닛-롤들을 제 1 축 상에 분리 또는 장착하는 과정;
    코팅-롤 어셈블리, 가이드 롤 및 조정 롤을 회전시키면서 금속 시트를 투입하고, 코팅-롤 어셈블리의 유닛-롤 각각에 전극 슬러리를 묻히는 과정; 및
    가이드 롤에 의해 이동하는 금속 시트가 코팅-롤 어셈블리의 유닛-롤들에 인접되면서 유닛-롤의 전극 슬러리가 금속 시트 표면으로 전사되는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 조정 롤을 통해 유닛-롤에 묻어있는 전극 슬러리를 소정의 두께로 평탄화시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 코팅-롤 어셈블리, 가이드 롤 및 조정 롤 중 적어도 하나를 전진, 후진, 상승 및/또는 하강시켜, 금속 시트에 코팅되는 전극 슬러리의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
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