KR102413279B1 - 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치는, 이형필름과 함께 권취된 리튬박을 풀어내는 한 쌍의 리튬박 권출기(11,11'); 풀어낸 리튬박의 장력 변동을 최소화하기 위한 한 쌍의 텐션 가이드 롤(12,12'); 텐션 가이드 롤을 통과한 리튬박을 수평으로 가이드하는 한 쌍의 수평 가이드 롤(13,13'); 리튬박 권출기에서 떼어낸 이형필름을 권취하는 한 쌍의 제1 이형필름 권취기(14,14'); 패턴화된 집전체인 동박을 풀어내는 동박 권출기(21); 풀어낸 동박의 장력을 조절하여 방향을 하방으로 바꾸는 동박 장력 조절기(22); 상기 수평 가이드 롤을 통과한 리튬박을 소정의 길이로 절단하는 한 쌍의 절단기(30,30'); 절단된 리튬박을 안내 롤로 가이드하는 한 쌍의 안내 가이드(40,40'); 패턴화된 동박의 양면에 절단된 리튬박을 합지하기 위하여 안내하는 한 쌍의 안내 롤(51); 패턴화된 동박에 리튬박을 합지하는 한 쌍의 프레스 롤(53); 합지된 음극재에 이형필름을 삽입하기 위한 제1 이형필름 권출기(60) 및 이형필름이 삽입된 음극재를 권취하는 음극재 권취기(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치{Lithium foil lamination apparatus for anode material of Li-metal battery}
본 발명은 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박(lithium foil) 합지장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2단 프레스 롤로 동박의 양면에 리튬박을 합지하는 장치에 관한 것이다.
리튬이온 배터리는 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 구성된다. 양극은 리튬이온의 소스로 배터리의 용량과 전압을 결정한다. 음극은 양극에서 나온 리튬이온을 가역적으로 흡수/방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할로서 대부분 안정적인 구조를 가진 흑연을 사용하고 있다. 전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬이온을 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하며 이온 전도도가 높은 물질을 사용한다. 분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 차단하는 역할로 이온만 이동할 수 있게 한다.
음극은 배터리의 수명과 용량을 결정하는데, 초기에는 리튬금속을 직접 사용하였지만, 위험성 때문에 층층구조로 안정적인 흑연 소재를 지금까지 사용하고 있으며, 최근 에너지 밀도가 흑연보다 10배 이상 높고 충방전 속도가 빠른 실리콘이 주목받고 있으나, 실리콘 소재는 흑연보다 3~4배 이상 부피가 팽창하여 안정화시키는 연구가 필요하다.
리튬이온 배터리의 제조공정은 크게 전극공정, 조립공정, 화성공정으로 구분되고 세부공정은 전지 형태 및 제조업체마다 차이가 있다.
전극공정은 양극과 음극 극판을 만드는 공정으로 집전체 기재와 양극/음극 활물질, 도전재 및 바인더가 함께 섞인 합제를 이용하여 혼합(mixing), 도포(coating), 압착(pressing), 분할(slitting), 건조(drying)로 구성되며 양극과 음극 제조공정이 각각 진행된다.
조립공정은 전극공정을 통해 만들어진 양극판과 음극판을 분리막과 같이 셀 형태에 따라 조립하는 공정으로 배터리셀의 형태나 셀 업체가 채택하고 있는 기술에 따라 변화되며, 크게 노칭(notching), 스태킹(stacking), 탭 웰딩(tab welding), 패키징(packaging)으로 구성되며 셀의 용량만큼 전극판을 와인딩이나 스태킹으로 쌓는다.
노칭공정은 양극과 음극의 탭을 제조하기 위하여 배터리 모양에 맞추어 극판을 알맞은 크기로 자르는 공정으로 배터리의 생산속도를 좌우한다.
노칭공정은 크게 프레스 장비와 레이저 장비로 구분되며, 프레스는 펀치 형태로 롤 형태의 양/음극판을 상하로 날카로운 프레스날로 직접 자르기 때문에 주기적으로 칼날의 교체와 유지보수가 필요하다. 레이저 장비는 IR 레이저를 이용하여 자르기 때문에 추가적인 유지보수 비용이 발생하지 않고 생산 속도가 빠르나 초기 투자비용이 크다.
노칭공정이 완료된 후에는 원하는 셀의 용량을 얻기 위하여 셀의 형태(원통형/각형/파우치형)에 따라 전극판을 와인딩하거나 스택킹으로 쌓는다.
화성공정은 리튬이온전지를 활성화 안정화시키는 공정으로 조립이 완료된 전지를 충/방전하여 전기적 특성을 부여하고 전지의 품질 검사와 선별을 한다.
노칭공정 후 스택킹공정은 레이저로 노칭하고 적층(stacking)하는 방법과 금형(mold)을 사용하여 노칭 후 적층하는 방법이 있다.
차세대 배터리로서 리튬금속을 음극으로 사용하는 리튬메탈 배터리는 에너지 밀도를 리튬이온 배터리의 800Wh/L보다 높은 1,000Wh/L 이상으로 높일 수 있어 연구개발이 집중되고 있다.
리튬금속은 금속 자체가 무르고 끈적거려 서로 달라붙거나 이물질이 부착되는 문제점이 있어 100um 이하의 리튬박(lithium foil)을 만들기 어렵다. 이러한 리튬의 특성은 금형을 이용한 펀칭이나 노칭 공정에서 금형에 리튬금속이 묻어나는 소착현상이 발생하여 불량이 발생하고 생산성이 저하된다. 또한, 리튬금속을 노칭 후 매거진(magazine)에 보관하는 경우 음극 전극 자체 무게에 의한 압력으로 서로 달라붙는 문제가 있다. 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 달라붙지 않을 정도의 소량으로 적재하면 잦은 매거진의 교체로 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서 금속 리튬을 음극재로 사용하려면, 리튬박을 만들기 위한 압착공정에서 롤러 등에 달라붙지 않도록 해야 하고, 노칭공정에서 금형에 묻어나지 않도록 특수한 제작공정이 필요하고, 매거진 보관과정을 생략해야 한다.
전극공정에서 리튬메탈 음극재는 동박인 집전체의 양면에 활물질로 리튬박을 프레스로 압착하는 합지기술을 사용한다. 압착공정에서 프레스의 양쪽 롤을 경도가 강한 스틸 롤을 사용하면 합지가 잘 안되어 롤에 달라 붙거나 찢어지는 등의 불량한 합지가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 리튬의 끈적거림에 의하여 리튬박의 이탈이 발생하여 동박 위에 형성된 패턴과 미스매치가 발생하는 문제도 있다.
한국공개특허 제10-2020-0018259호
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 끈적거리는 리튬박을 동박 집전체에 합지할 때 발생하는 불량을 해결하고 생산성을 향상시키는 리튬박 합지장치를 제공하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치는, 이형필름과 함께 권취된 리튬박을 풀어내는 한 쌍의 리튬박 권출기(11,11'); 풀어낸 리튬박의 장력 변동을 최소화하기 위한 한 쌍의 텐션 가이드 롤(12,12'); 텐션 가이드 롤을 통과한 리튬박을 수평으로 가이드하는 한 쌍의 수평 가이드 롤(13,13'); 리튬박 권출기에서 떼어낸 이형필름을 권취하는 한 쌍의 제1 이형필름 권취기(14,14'); 패턴화된 집전체인 동박을 풀어내는 동박 권출기(21); 풀어낸 동박의 장력을 조절하여 방향을 하방으로 바꾸는 동박 장력 조절기(22); 상기 수평 가이드 롤을 통과한 리튬박을 소정의 길이로 절단하는 한 쌍의 절단기(30,30'); 절단된 리튬박을 안내 롤로 가이드하는 한 쌍의 안내 가이드(40,40'); 패턴화된 동박의 양면에 절단된 리튬박을 합지하기 위하여 안내하는 한 쌍의 안내 롤(51); 패턴화된 동박에 리튬박을 합지하는 한 쌍의 프레스 롤(53); 합지된 음극재에 이형필름을 삽입하기 위한 제1 이형필름 권출기(60) 및 이형필름이 삽입된 음극재를 권취하는 음극재 권취기(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 절단기는 윤활제 도포기가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 안내 가이드는 복수의 흡착공이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 안내 롤은 합성수지로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 안내 롤은 복수의 흡착공이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 한 쌍의 프레스 롤 중 하나는 스틸 롤이고 다른 하나는 합성수지 롤인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치는 2단 프레스 롤과 흡착공으로 구성되어 리튬박이 달라붙거나 움직여 흐트러지는 현상을 방지하여 미스매치가 발생하지 않고 생산성이 향상되는 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬박 합지장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬박 절단기의 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 안내 가이드의 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 안내 롤의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 프레스 롤의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예와 도면을 참고하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
본 발명은 리튬금속을 음극재로 사용하는 것으로 종래의 흑연 등을 음극재로 사용한 '리튬이온(Li ion) 배터리'와 구별하기 위하여 '리튬메탈(Li metal) 배터리'로 통칭한다.
본 발명의 합지(lamination) 기술은 동박인 집전체의 양면에 리튬박을 붙이는 기술로 접합이 용이하도록 동박에 카본 등이 함유된 프라이머 잉크를 소정 간격의 패턴으로 코팅하고 리튬금속 포일(foil)을 프레스로 눌러 붙인다.
프레스의 양쪽 롤을 경도가 강한 스틸롤을 사용하면 스틸 롤에 달라 붙거나 찢어져 불량품이 발생하고, 문제를 해결하기 위하여 가동을 중단하여 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬박 합지장치의 사시도로서, 이형필름과 함께 권취된 리튬박을 풀어내는 한 쌍의 리튬박 권출기(11,11'); 풀어낸 리튬박의 장력 변동을 최소화하기 위한 한 쌍의 텐션 가이드 롤(12,12'); 텐션 가이드 롤을 통과한 리튬박을 수평으로 가이드하는 한 쌍의 수평 가이드 롤(13,13'); 리튬박 권출기에서 떼어낸 이형필름을 권취하는 한 쌍의 제1 이형필름 권취기(14,14'); 패턴화된 집전체인 동박을 풀어내는 동박 권출기(21); 풀어낸 동박의 장력을 조절하여 방향을 하방으로 바꾸는 동박 장력 조절기(22); 상기 수평 가이드 롤을 통과한 리튬박을 소정의 길이로 절단하는 한 쌍의 절단기(30,30'); 절단된 리튬박을 안내 롤로 가이드하는 한 쌍의 안내 가이드(40,40'); 패턴화된 동박의 양면에 절단된 리튬박을 합지하기 위하여 안내하는 한 쌍의 안내 롤(51); 패턴화된 동박에 리튬박을 합지하는 한 쌍의 프레스 롤(53); 합지된 음극재에 이형필름을 삽입하기 위한 제1 이형필름 권출기(60) 및 이형필름이 삽입된 음극재를 권취하는 음극재 권취기(70)를 포함한다.
또한, 한 쌍의 프레스 롤(53)에 리튬박이 달라붙지 않도록 리튬박을 압착하는 프레스 롤을 감싸는 이형필름을 공급하는 한 쌍의 제2 이형필름 권출기(61,63)와 프레스롤 감싸고 나온 이형필름을 권취하는 한 쌍의 제2 이형필름 권취기(62,64)를 포함한다.
본 발명의 리튬박 합지장치는 집전체인 동박의 양면에 부착하기 때문에 중앙의 동박을 중심으로 양쪽에 리튬박이 부착될 수 있도록 리튬박 권출기(11,11'), 텐션 가이드 롤(12,12'), 수평 가이드 롤(13,13'), 제1 이형필름 권취기(winder, 14,14'), 절단기(30,30'), 안내 가이드(40,40'), 안내 롤(51) 및 프레스 롤(53)이 대칭이 되도록 한 쌍으로 구성된다.
리튬박의 끈적거리는 성질로 리튬박끼리 달라붙으므로 떼어내기 쉽게 리튬박 사이에는 이형필름이 삽입되어 권취된다. 리튬박 권출기(11,11')는 이형필름을 삽입하여 권취된 리튬박을 풀어내면서 이형필름은 제1 이형필름 권취기(14,14')로 향하여 권취되고 풀린 리튬박은 텐션 가이드 롤(12,12')로 진행한다.
텐션 가이드 롤(12,12')은 급작스런 장력의 외란에 대하여 장력 변동을 최소화하기 위하여 자중에 의하여 상하로 이동하면서 장력을 조절한다.
수평 가이드 롤(13,13')은 복수의 롤로 구성되어 절단기에 진입하기 전에 평활하게 유지하여 이동하도록 한다.
동박 권출기(21)은 음극 집전체인 동박을 풀어내는 부품이다. 동박은 리튬박이 부착이 잘되도록 60cm 정도의 소정 간격으로 카본이 코팅되어 패턴화되어 있다. 카본 코팅은 도전성 잉크나 접착제의 프라이머로 대체 사용할 수 있다.
본 발명은 리튬박을 동박에 연속적으로 합지하는 것이 아니라 패턴화된 부분만 이산적으로 합지하기 때문에 패턴의 정합도가 생산 품질을 좌우한다. 동박의 패턴과 리튬박이 어긋나 미스매치가 되거나 기포가 발생하면 불량품으로 폐기되어 수율이 떨어져 생산성이 저하된다.
동박 장력 조절기(22)는 풀어낸 동박의 장력을 조절하여 방향을 하방으로 바꾸어 준다. 하방으로 수직으로 펼쳐진 동박의 양면에 리튬박이 부착된다.
리튬박 절단기(30,30')는 수평 가이드 롤을 통과한 리튬박을 동박의 패턴과 일치하도록 소정의 길이로 절단한다. 도 2는 리튬박 절단기의 세부 사진으로 원형의 휠(31)이 앞뒤로 이동 회전하면서 리튬박을 절단한다.
리튬박은 끈적거려 리튬이 휠의 칼날에 묻어 나오거나 절단된 단면이 샤프하게 절단되지 않아 주기적으로 휠을 교체하여야 한다. 본 발명의 절단기는 윤활제 도포기를 사용하여 휠이 전진할 때 리튬박에 윤활제를 먼저 칠하고 휠로 자르기 때문에 휠의 칼날에 리튬이 묻어나지 않고 칼날의 수명도 연장할 수 있다.
안내 가이드(40,40')는 절단된 리튬박을 안내 롤(51)로 가이드한다. 안내 가이드에는 도 3과 같이 복수의 흡착공(41)이 형성되어 약한 진공의 흡착력으로 절단된 리튬박이 흐트러지거나 이동되는 것을 방지한다.
리튬박의 일단은 그리퍼(42)를 이용하여 안내 롤(51)까지 이송되며 이송 시에는 안내 가이드의 진공은 해제되지만 이송이 완료되면 진공을 잡아 준다.
도 4는 안내 롤(51)의 사시도로서 중앙에는 패턴화된 동박(23)이 지나가고 동박의 패턴에 맞추어 동박 양면에 절단된 리튬박을 합지하기 위하여 프레스 롤로 안내한다.
한 쌍의 합성수지로 된 롤에 복수의 흡착공(52)이 형성되어 있어 그리퍼로 흡착공까지 리튬박을 이송하면 안내 롤의 진공력으로 리튬박을 흡착하여 동박에 살짝 붙여 하강시킨후 최종단에서 진공을 해제하여 리튬박의 끝단이 프레스 롤(53)에 떨어져 펼쳐지도록 한다. 동박에 리튬박을 부착할 때 일단과 타단이 모두 붙어 있으면 프레스 롤에 의한 압착과정에서 기포가 빠져나가지 못하여 불량품이 발생하므로 일단은 붙이고 타단은 열어 놓아 프레스 롤로 압착할 때 기포가 자연스럽게 빠져나가도록 한다.
본 발명에서는 안내 롤로 리튬박이 달라붙지 않도록 합성수지로 된 롤을 사용한다. 합성수지 롤은 기계적 강도가 있으면서 표면장력이 높아 리튬박 등이 잘 달라붙지 않는 특성이 요구된다. 본 발명에서는 가공이 쉽고, 높은 인장강도와 굴곡강도, 내마모성 및 치수 안정성이 뛰어나며 표면장력이 높은 아세탈을 사용한다.
도 5는 동박에 리튬박을 합지하는 한 쌍의 프레스 롤(52)의 사시도이다. 한 쌍의 프레스 롤 중 하나는 스틸 롤이고 하나는 합성수지 롤을 사용한다. 둘 다 스틸 롤을 사용할 경우에는 리튬박이 달라붙고 찢어지는 등의 불량품이 발생하여 생산성에 문제가 있어, 하나는 스틸 롤을 사용하지만 다른 하나는 충격을 흡수할 수 있는 합성수지 롤을 사용하여 불량품을 줄일 수 있다.
합성수지 롤은 기계적 강도가 있으면서 표면장력이 높아 리튬박 등이 잘 달라붙지 않는 특성이 요구된다. 본 발명에서는 가공이 쉽고, 높은 인장강도와 굴곡강도, 내마모성 및 치수 안정성이 뛰어나며 표면장력이 높은 아세탈을 사용한다.
제1 이형필름 권출기(60)는 합지된 음극재가 서로 달라 붙지 않도록 이형필름을 풀어 제공한다.
제2 이형필름 권출기(61,63)는 이형필름을 풀어 리튬박을 압착하는 프레스 롤면을 감싸도록 풀다음 권취기(62,64)로 다시 감는다. 이형필름은 프레스 롤에 리튬박이 달라붙지 않도록 하며 이물질을 흡착하는 클리닝 기능도 한다.
음극재 권취기(70)는 이형필름이 부착된 음극재를 권취한다.
11,11': 리튬박 권출기 12,12': 텐션 가이드 롤
13,13': 수평 가이드 롤 14,14': 제1 이형필름 권취기
21: 동박 권출기 22: 동박 장력 조절기
30,30': 절단기 40,40': 안내 가이드
51: 안내 롤 53: 프레스 롤
60: 제1 이형필름 권출기 70: 음극재 권취기

Claims (6)

  1. 이형필름과 함께 권취된 리튬박을 풀어내는 한 쌍의 리튬박 권출기(11,11');
    풀어낸 리튬박의 장력 변동을 최소화하기 위한 한 쌍의 텐션 가이드 롤(12,12');
    텐션 가이드 롤을 통과한 리튬박을 수평으로 가이드하는 한 쌍의 수평 가이드 롤(13,13');
    리튬박 권출기에서 떼어낸 이형필름을 권취하는 한 쌍의 제1 이형필름 권취기(14,14');
    패턴화된 집전체인 동박을 풀어내는 동박 권출기(21);
    풀어낸 동박의 장력을 조절하여 방향을 하방으로 바꾸는 동박 장력 조절기(22);
    상기 수평 가이드 롤을 통과한 리튬박을 소정의 길이로 절단하는 한 쌍의 휠 절단기(30,30');
    절단된 리튬박을 안내 롤로 가이드하는 한 쌍의 안내 가이드(40,40');
    패턴화된 동박의 양면에 절단된 리튬박을 합지하기 위하여 안내하는 한 쌍의 안내 롤(51);
    패턴화된 동박에 리튬박을 합지하는 한 쌍의 프레스 롤(53);
    합지된 음극재에 이형필름을 삽입하기 위한 제1 이형필름 권출기(60) 및
    이형필름이 삽입된 음극재를 권취하는 음극재 권취기(70)를 포함하되,
    중앙의 동박을 중심으로 양쪽에 리튬박이 부착될 수 있도록 상기 한 쌍의 리튬박 권출기, 한 쌍의 텐션 가이드 롤, 한 쌍의 수평 가이드 롤, 한 쌍의 제1 이형필름 권취기, 한 쌍의 절단기, 한 쌍의 안내 가이드, 한 쌍의 안내 롤 및 한 쌍의 프레스 롤은 좌우 대칭으로 형성되고,
    상기 한 쌍의 안내 롤 및 한 쌍의 프레스 롤은 상부에 안내 롤이 형성된 2단 구조인 것을 특징으로 한 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절단기는 윤활제 도포기가 포함된 것을 특징으로 하는 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안내 가이드는 복수의 흡착공이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안내 롤은 합성수지로 형성된 것을 특징으로 하는 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안내 롤은 복수의 흡착공이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 프레스 롤 중 하나는 스틸 롤이고 다른 하나는 합성수지 롤인 것을 특징으로 하는 리튬메탈 배터리 음극재용 리튬박 합지장치.
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