KR102465331B1 - 이차전지 전극 공정용 코팅장치 및 코팅방법 - Google Patents

이차전지 전극 공정용 코팅장치 및 코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 활물질, 도전재, 바인더를 용매 없이 혼합한 건식 혼합물을 전극 기판에 분사하여 전극 기판을 코팅한다. 이로 인해, 전극 활물질, 도전재, 바인더를 용매에 슬러리 형태로 만들어 전극 기판에 도포하는 습식 방식과 비교하여 건조공정이 생략되어 공정이 단순화되고, 제거 되지 못한 용매로 인한 폭발 위험이 없으며, 용매의 기화로 인한 밀도 저하 등이 발생하지 않는다. 따라서, 제조시간 및 제조비용을 낮출 수 있고, 에너지 밀도와 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

이차전지 전극 공정용 코팅장치 및 코팅방법{Coating device and method for secondary battery electrode process}
본 발명은 이차전지 전극 공정용 코팅장치 및 코팅방법에 관한 것이다.
최근 전기자동차에 대한 연구가 활발히 진행되면서, 더불어 전기자동차에 사용되는 이차전지에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 전기자동차에 사용되는 이차전지는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성이 요구된다.
일반적으로 이차전지는 집전체 상에 각각의 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극 조립체에 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이때, 이차전지의 전극은 전극 활물질과 바인더 및 도전재 등의 첨가물을 용매에 분산시켜 제조한 전극 활물질 슬러리를, 집전체에 도포한 후 용매를 건조시킴으로써 제조된다.
이와 같이, 슬러리 형태로 도포하는 습식 방식으로 이차전지의 전극을 제조하는 경우, 전체적인 전극층의 두께가 균일하게 형성되지 못하고, 용매를 건조시키는 과정이 필요하여 공정이 복잡하며, 용매가 기화되고 남은 기공에 대한 추가 처리가 필요하다. 또한, 용매가 모두 제거되지 않으면 건조과정을 반복하게 되어 시간과 비용이 늘어나게 될 뿐만 아니라 용매가 모두 제거되지 않고 남게 되면 이차전지 폭발의 위험 인자가 될 수 있다.
한국등록특허(10-2040257)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 이차전지 전극 공정용 코팅장치 및 코팅방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 이차전지 전극 공정용 코팅장치는,
복수의 이차전지 전극형성용 코팅재료가 건식 혼합되어 형성된 건식 혼합물을 전극 기판에 코팅하기 위해, 상기 건식 혼합물을 상기 전극 기판으로 분사하며, 상기 전극 기판에 점착되지 않은 건식 혼합물을 회수하는 회수 가능 분사노즐을 구비하는 분말 분사유닛; 및
상기 전극 기판에 점착된 상기 건식 혼합물을 압연하는 프레스유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
복수의 이차전지 전극형성용 코팅재료를 형성하는 원재료 전처리단계;
상기 이차전지 전극형성용 코팅재료를 건식 혼합하여 건식 혼합물을 형성하는 건식 믹싱단계;
분말 분사유닛이 회수 가능 분사노즐을 통해 상기 건식 혼합물을 전극 기판으로 분사하며, 상기 전극 기판에 점착되지 않은 건식 혼합물을 상기 회수 가능 분사노즐을 통해 회수하는 분사 겸용 회수단계; 및
프레스유닛이 상기 전극 기판에 점착된 상기 건식 혼합물을 압연하는 프레싱단계를 포함하는 이차전지 전극 공정용 코팅방법에 의해 달성된다.
본 발명은 전극 활물질, 도전재, 바인더를 용매 없이 혼합한 건식 혼합물을 전극 기판에 분사하여 전극 기판을 코팅한다. 이로 인해, 전극 활물질, 도전재, 바인더를 용매에 슬러리 형태로 만들어 전극 기판에 도포하는 습식 방식과 비교하여 건조공정이 생략되어 공정이 단순화되고, 제거 되지 못한 용매로 인한 폭발 위험이 없으며, 용매의 기화로 인한 밀도 저하 등이 발생하지 않는다. 따라서, 제조시간 및 제조비용을 낮출 수 있고, 에너지 밀도와 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 건식 혼합물을 슬릿 형상의 분말 분사유닛을 통해 분사하는 방식으로 전극 기판을 코팅한다. 이로 인해, 대면적 코팅이 가능하여 균일한 분사가 이루어질 수 있고, 분사량을 조절하여 전극의 밀도, 두께 등의 조절이 가능하다.
본 발명은 전극 기판에 점착되지 않은 건식 혼합물이 회수되어 분말 저장용기에 합쳐져 다시 전극 기판으로의 분사에 재사용된다. 이로 인해, 낭비되는 코팅재료를 줄여 제조비용을 낮출 수 있다.
본 발명은 전극 활물질, 도전재, 바인더를 혼합하기 전에, 전극 활물질, 도전재, 바인더에 대해 극성표면처리를 하거나 전극 활물질과 바인더를 전극 활물질의 외표면에 바인더가 코팅된 코어쉘 구조로 형성한다. 이로 인해, 전극 활물질끼리 서로 뭉쳐지는 것을 방지할 수 있고, 전극 활물질과 도전재 및 전극 기판과의 결합력이 좋아져 코팅 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극 공정용 코팅장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 분말 분사유닛으로 건식 혼합물이 분사되는 모습을 정면에서 바라본 도면이다.
도 3은 도 3에 도시된 분말 분사유닛의 측단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극 공정용 코팅방법을 나타낸 순서도다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극 공정용 코팅장치를 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극 공정용 코팅장치는 분말 분사유닛(100)과 프레스유닛(200)으로 구성된다.
[분말 분사유닛(100)]
분말 분사유닛(100)은 복수의 이차전지 전극형성용 코팅재료가 건식 혼합되어 형성된 건식 혼합물(DM)을 전극 기판(EB)에 분사한다.
건식 혼합물(DM)을 형성하는 이차전지 전극형성 용 코팅재료로는 양극과 음극을 형성하는 전극 활물질과, 전극 활물질 간 전도성을 높이기 위한 도전재와, 전극 활물질과 도전재 및 전극 기판(EB) 간의 결합력을 높이기 위한 바인더(binder)가 있다.
전극 활물질, 도전재, 바인더는 서로 뭉치지 않도록 전처리가 된 상태로 혼합된다. 전극 활물질, 도전재, 바인더는 분체상태이기 때문에 그대로 혼합될 경우 전극 활물질이 고르게 분산되지 않고 서로 뭉칠 우려가 있다.
전처리의 일예로, 전극 활물질, 도전재, 바인더는 플라즈마를 이용하여 각각에 대해 표면 극성을 같은 극성으로 표면처리될 수 있다. 전극 활물질, 도전재, 바인더가 같은 극성을 갖게 되므로, 반발력에 의해서 분산성이 좋아져 서로 뭉쳐지는 것이 방지된다.
다른 일예로, 전극 활물질과 바인더는 전극 활물질의 외표면에 바인더가 코팅된 코어쉘 구조로 형성될 수 있다. 바인더가 전극 활물질의 외표면에 사전 코팅된 상태로 준비되기 때문에, 전극 활물질끼리 서로 뭉쳐지지 않는다. 한편, 코어쉘 구조의 표면에 플라즈마를 이용한 극성 표면처리를 추가할 수도 있다.
전극 기판(EB)은 이차전지의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 금속으로 이루어진다. 본 실시예에서는 양극인 경우 알루미늄 포일(aluminum foil)이 사용되고, 음극인 경우 구리 포일(copper foil)이 사용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 분말 분사유닛(100)은 회수가능 분사노즐(110), 분말 저장용기(120), 가스 저장용기(130), 가스 공급배관(140), 분사용 연결배관(150), 회수용 연결배관(160)으로 구성된다.
회수가능 분사노즐(110)
회수가능 분사노즐(110)은 건식 혼합물(DM)을 길이 방향으로 이동하는 전극 기판(EB)으로 분사하며, 전극 기판(EB)에 점착되지 않은 건식 혼합물(DM)을 회수한다.
회수가능 분사노즐(110)은 대면적 코팅이 가능한 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 회수가능 분사노즐(110)은 전극 기판(EB)의 폭 방향으로 긴 슬릿 형상으로 형성된다. 따라서, 전극 기판(EB)이 길이 방향으로 이동하면, 전극 기판(EB)의 폭에 걸쳐 건식 혼합물(DM)을 분사 또는 회수할 수 있다. 이로 인해, 전체적으로 균일한 분사가 이루어져, 균일한 전극 밀도, 두께가 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 회수가능 분사노즐(110)은 건식 혼합물(DM)을 전극 기판(EB)으로 분사하는 분사용 노즐부(111)와 전극 기판(EB)에 점착되지 않은 건식 혼합물(DM)을 회수하는 흡입용 노즐부(112)로 구성된다.
분사용 노즐부(111)는 분사용 연결배관(150)에 결합되며, 내부가 분사용 연결배관(150)에 연통된다. 분사용 노즐부(111)는 분사용 연결배관(150)을 통해 전달된 건식 혼합물(DM)과 캐리어 가스를 전극 기판(EB)으로 분사한다.
흡입용 노즐부(112)는 회수용 연결배관(160)에 결합되며, 내부가 회수용 연결배관(160)에 연통된다. 또한, 흡입용 노즐부(112)는 분사용 노즐부(111)에 연결된다. 흡입용 노즐부(112)의 내부 중앙영역에, 분사용 노즐부(111)가 위치된다. 따라서, 분사용 노즐부(111)에서 건식 혼합물(DM)이 전극 기판(EB)으로 분사되면, 분사용 노즐부(111) 전방과 후방에 위치하게 되는 흡입용 노즐부(112)가 전극 기판(EB)에 점착되지 못한 건식 혼합물(DM)을 흡수하여 회수한다.
분사용 노즐부(111)의 분사 압력과 흡입용 노즐부(112)의 흡입 압력은 균일한 분사가 이루어지도록 조절가능하다.
분말 저장용기(120), 가스 저장용기(130)
분말 저장용기(120)는 복수의 이차전지 전극형성용 코팅재료가 건식 혼합되어 형성된 건식 혼합물(DM)이 내부에 저장된다.
가스 저장용기(130)는 건식 혼합물(DM)을 유동시키기 위한 캐리어 가스가 내부에 저장된다. 캐리어 가스는 질소 또는 아르곤 등 불활성가스가 이용될 수 있다.
가스 공급배관(140), 분사용 연결배관(150), 회수용 연결배관(160)
가스 공급배관(140)은 가스 저장용기(130)와 분말 저장용기(120)에 연결되며, 분말 저장용기(120)의 내부로 캐리어 가스를 전달한다. 가스 공급배관(140)에는 캐리어 가스를 이동시키기 위한 펌프(P)가 연결된다.
분사용 연결배관(150)은 분말 저장용기(120)와 회수가능 분사노즐(110)에 연결되며, 회수가능 분사노즐(110)로 건식 혼합물(DM)과 캐리어 가스를 전달한다. 분사용 연결배관(150)에는 건식 혼합물(DM)과 캐리어 가스를 이동시키기 위한 펌프(P)가 연결된다.
회수용 연결배관(160)은 회수가능 분사노즐(110)과 분말 저장용기(120)에 연결되며, 전극 기판(EB)에 점착되지 않은 건식 혼합물(DM)을 흡입하여 전달한다. 회수용 연결배관(160)에는 회수가능 분사노즐(110)에 흡입력을 제공하고 흡입된 건식 혼합물(DM)을 이동시키기 위한 펌프(P)가 연결된다.
[프레스유닛(200)]
프레스유닛(200)은 전극 기판(EB)에 점착된 건식 혼합물(DM)을 압연한다.
프레스유닛(200)은, 한 쌍의 핫롤러(210)로 구성된다. 한 쌍의 핫롤러(210)는 고온으로 가열되며, 100℃ 이상으로 고온 가열된 한 쌍의 핫롤러(210) 사이로 건식 혼합물(DM)이 점착된 전극 기판(EB)이 통과되며 원하는 두께와 밀도로 균일하게 압축된다.
한편, 한 쌍의 핫롤러(210)는 다수 개로 구비될 수도 있다. 다수 개의 한 쌍의 핫롤러(210)가 건식 혼합물(DM)이 점착된 전극 기판(EB)을 반복적으로 압연함으로써, 전극 기판(EB)에 점착된 건식 혼합물(DM)의 두께와 용량 밀도를 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극 공정용 코팅방법을 자세히 설명한다. 도 1 내지 도 3을 기본적으로 참조한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극 공정용 코팅방법은,
복수의 이차전지 전극형성용 코팅재료를 형성하는 원재료 전처리단계(S10);
상기 이차전지 전극형성용 코팅재료를 건식 혼합하여 건식 혼합물을 형성하는 건식 믹싱단계(S20);
분말 분사유닛이 회수 가능 분사노즐을 통해 상기 건식 혼합물을 전극 기판으로 분사하며, 상기 전극 기판에 점착되지 않은 건식 혼합물을 상기 회수 가능 분사노즐을 통해 회수하는 분사 겸용 회수단계(S30); 및
프레스유닛이 상기 전극 기판에 점착된 상기 건식 혼합물을 압연하는 프레싱단계(S40)로 구성된다.
이하, 원재료 전처리단계(S10)를 설명한다.
복수의 이차전지 전극형성용 코팅재료를 형성한다. 이차전지 전극형성용 코팅재료는 전극 활물질, 도전재, 바인더이다.
전극 활물질, 도전재, 바인더를 혼합하기 전에, 서로 뭉치지 않도록 전극 활물질, 도전재, 바인더에 대해 전처리를 진행한다.
일예로, 전극 활물질, 도전재, 바인더 각각에 대해 플라즈마를 이용하여 표면 극성을 같은 극성으로 만드는 표면처리 과정을 진행할 수 있다. 전극 활물질, 도전재, 바인더가 같은 극성을 갖게 되므로, 반발력에 의해서 분산성이 좋아져 전극 활물질이 서로 뭉치는 것이 방지된다.
다른 일예로, 전극 활물질과 바인더를 전극 활물질의 외표면에 바인더가 코팅된 코어쉘 구조로 형성할 수 있다. 바인더가 전극 활물질의 외표면에 사전 코팅된 상태로 준비되기 때문에, 전극 활물질끼리 서로 뭉쳐지지 않고 나아가 바인더에 의해 결합력이 향상된다. 한편, 코어쉘 구조의 표면에 플라즈마를 이용한 극성 표면처리를 추가할 수도 있다.
이하, 믹싱단계(S20)를 설명한다.
이차전지 전극형성용 코팅재료를 건식 혼합하여 건식 혼합물(DM)을 형성한다. 즉, 전처리 과정을 거친 전극 활물질, 도전재, 바인더를 용매 없이 건식 혼합하여 건식 혼합물(DM)을 형성한다. 건식 혼합은 제트 밀(jell mill) 등을 통해 실시될 수 있다.
이하, 분사 겸용 회수단계(S30)를 설명한다.
분말 분사유닛(100)이 회수가능 분사노즐(110)을 통해 건식 혼합물(DM)을 전극 기판(EB)으로 분사하며 전극 기판(EB)에 점착되지 않은 건식 혼합물(DM)을 회수가능 분사노즐(110)을 통해 회수한다.
분말 분사유닛(100)의 구성에 대해서는 상술하였으므로, 자세한 설명은 생략한다.
건식 혼합물(DM)의 분사과정을 설명하면, 가스 저장용기(130)에 저장된 캐리어 가스가 가스 공급배관(140)을 통해 분말 저장용기(120)로 전달된다. 분말 저장용기(120)로 전달된 캐리어 가스가 분사용 연결배관(150)으로 유동된다. 캐리어 가스의 유동과정에서 건식 혼합물(DM)이 함께 분사용 연결배관(150)으로 이동된다. 즉, 분말 저장용기(120)에 저장된 건식 혼합물(DM)이 캐리어 가스의 유동과 함께 분사용 연결배관(150)을 거쳐 분사용 노즐부(111)를 통해 전극 기판(EB)을 향해 분사된다.
이때, 전극 기판(EB)에는 정전기가 인가되어 분사된 건식 혼합물(DM)이 들러붙는다. 건식 혼합물(DM)에 극성 표면처리가 된 경우, 표면처리된 극성과 반대 전하를 전극 기판(EB)에 인가하여 결합력을 극대화시킬 수 있다.
건식 혼합물(DM)의 회수과정을 설명하면, 분사용 노즐부(111)를 통해 분사된 건식 혼합물(DM) 중 전극 기판(EB)에 점착되지 않은 건식 혼합물(DM)이 흡입용 노즐부(112)를 통해 흡입된다. 이때, 흡입용 노즐부(112)에서 발생되는 흡입력은 회수용 연결배관(160)에 연결된 펌프에 의해 발생한다. 흡입용 노즐부(112)를 통해 흡입된 미점착 건식 혼합물(DM)은 회수용 연결배관(160)을 거쳐 분말 저장용기(120)로 유동된다.
전극 기판(EB)에 점착되지 않은 건식 혼합물(DM)은 회수되어 분말 저장용기(120)에 합쳐져 다시 전극 기판(EB)으로의 분사에 재사용된다. 따라서, 낭비되는 코팅재료를 줄여 제조비용을 낮출 수 있다.
또한, 건식 혼합물(DM)을 분말 분사유닛(100)을 통해 분사하는 방식으로 전기 기판을 코팅하기 때문에, 분사량을 조절하여 전극의 밀도, 두께 등의 조절이 가능하다.
이하, 프레싱단계(S40)를 설명한다.
한 쌍의 핫롤러(210)로 구성된 프레스유닛(200)이 전극 기판(EB)에 점착된 건식 혼합물(DM)을 압연한다. 건식 혼합물(DM)이 점착된 전극 기판(EB)을 고온 가열된 한 쌍의 핫롤러(210) 사이로 통과시켜 원하는 두께와 밀도로 균일하게 압축한다. 압연을 통해 전극 기판(EB)에 점착된 건식 혼합물(DM)의 두께를 축소시켜 용량 밀도를 높이고, 전극 기판(EB)과 건식 혼합물(DM)에 포함된 전극 활물질 간의 접착성 및 밀착성을 증가시킨다.
건식 혼합물(DM)이 점착된 전극 기판(EB)을 고온 가열된 다수 개의 한 쌍의 핫롤러(210) 사이로 통과시켜 반복 롤링함으로써, 전극 기판(EB)에 점착된 건식 혼합물(DM)의 두께와 용량 밀도를 제어할 수 있다.
100: 분말 분사유닛 110: 회수가능 분사노즐
111: 분사용 노즐부 112: 흡입용 노즐부
120: 분말 저장용기 130: 가스 저장용기
140: 가스 공급배관 150: 분사용 연결배관
160: 회수용 연결배관 200: 프레스유닛
210: 핫롤러 EB: 전극 기판
DM: 건식 혼합물 P: 펌프

Claims (5)

  1. 플라즈마를 이용하여 전극 활물질, 도전재, 바인더 각각에 동일한 극성으로 표면처리하거나,
    전극 활물질의 외표면에 바인더가 코팅된 코어쉘 구조로 형성하고 상기 코어쉘 구조의 표면에 플라즈마를 이용하여 극성 표면처리를 하는 전처리유닛;
    상기 전처리유닛에서 전처리된 이차전지 전극형성용 코팅재료가 건식 혼합되어 형성된 건식 혼합물을 전극 기판에 코팅하기 위해, 상기 건식 혼합물을 상기 전극 기판으로 분사하며, 상기 전극 기판에 점착되지 않은 건식 혼합물을 회수하는 회수 가능 분사노즐을 구비하는 분말 분사유닛; 및
    상기 전극 기판에 점착된 상기 건식 혼합물을 압연하는 프레스유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 공정용 코팅장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분말 분사유닛은,
    상기 건식 혼합물이 내부에 저장된 분말 저장용기;
    캐리어 가스가 내부에 저장된 가스 저장용기;
    상기 가스 저장용기와 상기 분말 저장용기에 연결되며, 상기 분말 저장용기의 내부로 상기 캐리어 가스를 전달하는 가스 공급배관;
    상기 분말 저장용기와 상기 회수 가능 분사노즐에 연결되며, 상기 회수 가능 분사노즐로 상기 건식 혼합물을 전달하는 분사용 연결배관; 및
    상기 분말 저장용기와 상기 회수 가능 분사노즐에 연결되며, 상기 전극 기판에 점착되지 않은 상기 건식 혼합물을 흡입하여 전달하는 회수용 연결배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 공정용 코팅장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 회수 가능 분사노즐은,
    상기 분사용 연결배관에 결합되며, 내부가 상기 분사용 연결배관에 연통되는 분사용 노즐부; 및
    상기 분사용 노즐부에 연결되고 상기 회수용 연결배관에 결합되며, 상기 분사용 노즐부가 내부에 배치되는 흡입용 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 공정용 코팅장치.
  4. 플라즈마를 이용하여 전극 활물질, 도전재, 바인더 각각에 동일한 극성으로 표면처리하거나, 전극 활물질의 외표면에 바인더가 코팅된 코어쉘 구조로 형성하고 상기 코어쉘 구조의 표면에 플라즈마를 이용하여 극성 표면처리를 하여,
    이차전지 전극형성용 코팅재료를 형성하는 원재료 전처리단계;
    상기 이차전지 전극형성용 코팅재료를 건식 혼합하여 건식 혼합물을 형성하는 건식 믹싱단계;
    분말 분사유닛이 회수 가능 분사노즐을 통해 상기 건식 혼합물을 전극 기판으로 분사하며, 상기 전극 기판에 점착되지 않은 건식 혼합물을 상기 회수 가능 분사노즐을 통해 회수하는 분사 겸용 회수단계; 및
    프레스유닛이 상기 전극 기판에 점착된 상기 건식 혼합물을 압연하는 프레싱단계를 포함하는 이차전지 전극 공정용 코팅방법.
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