KR102494623B1 - 전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 방법 - Google Patents

전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 활물질 슬러리를 균일한 두께로 코팅할 수 있으며, 아일랜드의 형성을 방지하기 위한 것으로, 전극 집전체를 미리 정해진 공정 방향으로 연속적으로 이송하는 이송 유닛; 및 상기 이송 유닛에 의해 이송되고 있는 상기 전극 집전체의 미리 정해진 코팅 영역에 활물질 슬러리를 코팅하는 코팅 다이;를 포함하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치에 있어서, 상기 코팅 다이는 활물질 슬러리를 연속적으로 공급하고, 상기 이송 유닛은 상기 전극 집전체를 코팅다이 방향 또는 코팅다이 반대방향으로 이동시켜 패턴형으로 활물질 슬러리를 도포할 수 있는 백업롤러를 더 구비하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 코팅 방법을 제공한다.

Description

전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 방법{Electrode active material slurry coating apparatus and method}
본 발명은 전극 집전체에 전극 활물질 슬러리를 코팅시키는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차전지의 제조 공정은, 전극 집전체에 전극 활물질층을 형성하는 전극 활물질층 형성 공정을 포함한다. 전극 활물질층 형성 공정은, 전극 활 물질 입자들이 바인더 용액 중에 분사된 활물질 슬러리를 전극 집전체에 도포하는 단계와, 전극 집전체에 도포된 활물질 슬러리를 건조시켜 활물질 슬러리 중에 존재하는 용액과 수분을 제거함으로써 전극 집전체에 전극 활물질층을 형성하는 단계를 포함한다.
전술한 전극 활물질층 형성 공정을 수행하기 위한 종래의 전극 활물질 슬러리 코팅 장치는, 코팅 다이에서 토출된 활물질 슬러리가 공정 방향으로 연속적으로 이동 중인 전극 집전체에 일정 패턴으로 코팅을 수행한다. 여기서, 패턴의 길이만큼 코팅 다이에서 토출되는 활물질 슬러리의 양을 조절해야 하며, 각각의 코팅 영역의 선단부에 대응하는 발코니 영역에서 활물질 슬러리가 일부 뭉치는 형상이 있으며, 각각의 코팅 영역의 후단부에 대응하는 드레그 영역에서 집전체의 진행방향의 반대방향으로 갈수록 코팅 두께가 얇아지도록 첨예하게 코팅되는 문제가 있었다. 또한, 드레그 영역에서 잔여 활물질 슬러리에 의한 아일랜드가 형성되어, 석출에 의한 쇼트가 발생하는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 활물질 슬러리의 코팅을 균일하게 수행할 수 있어, 전극 두께 차이나 아일랜드가 발생하지 않는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따라, 전극 집전체를 미리 정해진 공정 방향으로 연속적으로 이송하는 이송 유닛; 및 상기 이송 유닛에 의해 이송되고 있는 상기 전극 집전체의 미리 정해진 코팅 영역에 활물질 슬러리를 코팅하는 코팅 다이;를 포함하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치에 있어서, 상기 코팅 다이는 활물질 슬러리를 연속적으로 공급하고, 상기 이송 유닛은 상기 전극 집전체를 코팅다이 방향 또는 코팅다이 반대방향으로 이동시켜 패턴형으로 활물질 슬러리를 도포할 수 있는 백업롤러를 더 구비하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치가 제공된다.
여기서, 상기 백업롤러는, 상기 백업롤러의 좌우방향으로 수평 이동시켜 패턴형으로 활물질 슬러리를 도포할 수 있는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 코팅 다이의 하방에 위치하여, 아래 방향으로 떨어지는 활물질 슬러리를 수용하고, 교반하는 리사이클 탱크를 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 백업롤러는 전극 집전체의 코팅 영역을 감지하는 센서에 의해 작동될 수 있다.
이때, 상기 센서는 EPS(Edge position sensor)이고, 상기 백업롤러는 EPC(Edge position control)를 통해 작동되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따라, 미리 정해진 공정 방향으로 연속적으로 이송되는 전극 집전체의 코팅 영역에 코팅 다이를 이용해 활물질 슬러리를 코팅하는 전극 활물질 슬러리 코팅 방법에 있어서, (a) 백업롤러가 미리 정해진 코팅 시작 위치에서 대기 중인 상태에서 상기 코팅 영역 중 상기 활물질 슬러리의 코팅이 시작되는 발코니 영역이 상기 코팅 시작 위치에 도달되면, 상기 백업롤러가 코팅다이 방향으로 전극 집전체를 이동시켜, 상기 발코니 영역에 상기 활물질 슬러리를 코팅하는 시작 단계; 및 (b) 상기 활물질 슬러리의 코팅이 종료되는 드레그 영역이 도달하면, 상기 백업롤러가 상기 전극 집전체를 코팅다이 반대방향으로 이동시키는 종료 단계;를 포함하며, 상기 코딩 다이는 연속적으로 활물질 슬러리를 공급하는 전극 활물질 슬러리 코팅 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 코팅다이는 상기 활물질 슬러리를 20 m/min 내지 100 m/min 의 속도로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 방법은 전극 활물질 슬러리를 균일한 두께로 코팅할 수 있으며, 아일랜드의 형성을 방지하여, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 활물질 슬러리 코팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 활물질 슬러리 코팅 장치에서 백업롤러의 수평 이동에 따라 활물질 슬러리가 코팅되는 형상을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 활물질 슬러리 코팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 활물질 슬러리 코팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 활물질 슬러리 코팅 장치(100)는, 종래의 전극 활물질 슬러리 코팅장치와 마찬가지로, 연속적으로 공급된 전극 집전체(210)를 미리 정해진 공정 방향으로 연속적으로 이송하는 이송 유닛(120); 및 이송 유닛(120)에 의해 이송되고 있는 전극 집전체(210)에 활물질 슬러리(220)를 코팅하는 코팅 다이(110);를 포함한다. 또한, 본 발명의 전극 활물질 슬러리 코팅 장치는 도면에 도시되지는 않았으나, 활물질 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조시켜 전극 집전체에 전극 활물질층을 형성하는 건조 유닛; 및 전극 활물질층이 형성된 전극 집전체를 권취하여 롤 상태로 회수하는 회수롤; 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 전극 활물질 슬러리 코팅 장치에 있어서, 상기 이송 유닛(120)은 상기 전극 집전체를 코팅다이 방향 또는 코팅다이 반대방향으로 이동시켜 패턴형으로 활물질 슬러리를 도포할 수 있는 백업롤러(121)를 더 구비함으로써, 상기 코팅 다이(110) 활물질 슬러리를 연속적으로 공급할 수 있으며, 활물질 슬러리의 균일한 도포를 가능하게 할 수 있다.
나아가, 상기 백업롤러(121)는 그의 좌우방향으로 수평 이동도 가능하여 패턴형으로 활물질 슬러리를 도포할 수도 있다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 활물질 슬러리 코팅 장치(100)에서, 백업롤러(121)의 수평 이동에 따라 활물질 슬러리(220)가 코팅되는 형상을 개략적으로 나타내는 도면이다.
백업롤러(121)가 좌우방향으로 수평 이동함으로써, 그를 받치고 있는 전극 집전체(210)도 좌우방향으로 따라서 움직이게 된다. 코팅 다이(110)는 제자리에서 활물질 슬러리(220)를 토출하더라도, 백업롤러(121)에 대응되는 위치에 있는 전극 집전체(210)가 좌우방향으로 움직임으로써, 사선무늬, 물결무늬 등의 다양한 패턴의 활물질 슬러리 코팅이 가능하게 되며, 이로써, 사용자가 원하는 다양한 패턴의 전극 생산이 가능하게 된다.
코팅 다이(110)는, 활물질 슬러리(220)를 전극 집전체(210)에 코팅하기 위한 장치이다. 코팅 다이(110)는, 활물질 슬러리(220)를 이송 유닛(120)에 의해 상기 공정 방향을 따라 연속적으로 이송되고 있는 전극 집전체(210)의 미리 정해진 코팅 영역에 코팅하기 위해, 연속적으로 전극 활물질 슬러리를 공급한다. 예를 들어, 코팅 다이(110)는, 외부의 슬러리 공급원(미도시)으로부터 활물질 슬러리(220)가 공급되는 슬릿과, 슬릿을 통과한 활물질 슬러리(220)를 전극 집전체(210)를 향해 토출하는 토출구를 포함한다. 코팅 영역에 따라 밸브를 개폐하여 활물질 슬러리의 양을 조절하는 종래의 코팅 다이와는 달리, 본 발명의 코팅 다이(110)는 일정량의 활물질 슬러리를 연속적으로 공급하여, 균일한 코팅을 달성할 수 있다.
이송 유닛(120)은, 공급된 전극 집전체(210)를 소정의 장력이 인가된 상태로 미리 정해진 공정 방향으로 이송하기 위한 장치이다. 이송 유닛(120)의 구조는 특별히 한정되지 않는다.
백업롤러(121)는 연속적으로 공급되는 활물질 슬러리를 코팅 영역에 코팅될 수 있도록 전극 집전체를 코팅다이 방향 또는 코팅다이 반대방향으로 이동시키거나, 그의 좌우방향으로 수평 이동시키는 장치이다. 또한, 백업롤러(121)는 전극 집전체의 코팅 영역을 감지하는 센서에 의해 작동될 수 있다.
이때, 상기 센서는 EPS(Edge position sensor)이고, 상기 백업롤러는 EPC(Edge position control)를 통해 작동되는 것일 수 있는데, 이로써 사용자가 원하는 특정 패턴의 활물질 슬러리 코팅층을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 활물질 슬러리 코팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 전극 활물질 슬러리 코팅 장치(100)는 코팅 다이(110)의 하방에 위치하여, 아래 방향으로 떨어지는 활물질 슬러리를 수용하고, 교반하는 리사이클 탱크를 더 구비할 수 있다. 코팅 영역에 따라 밸브를 개폐하여 활물질 슬러리의 양을 조절하는 종래의 코팅 장치와는 달리, 본 발명의 코팅 장치(100)는 일정량의 활물질 슬러리를 연속적으로 공급하여, 균일한 코팅을 달성할 수 있으나, 백업롤러(121)가 코팅다이 반대방향으로 이동하여, 전극 집전체의 코팅이 되지 않는 구간에서는 활물질 슬러리가 하방으로 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 활물질 슬러리를 수용하고, 교반하는 리사이클 탱크를 구비하여 상기 문제를 해결할 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여, 전극 집전체(210)의 코팅 영역에 활물질 슬러리(220)를 코팅하는 방법을 설명하기로 한다.
먼저, (a) 백업롤러가 미리 정해진 코팅 시작 위치에서 대기 중인 상태에서 상기 코팅 영역 중 상기 활물질 슬러리의 코팅이 시작되는 발코니 영역이 상기 코팅 시작 위치에 도달되면, 도 1에 도시된 바와 같이 백업롤러(121)가 코팅 다이(110) 방향으로 전극 집전체(210)를 이동시켜, 상기 발코니 영역에 활물질 슬러리(220)를 코팅을 시작한다.
다음으로, (b) 활물질 슬러리(220)의 코팅이 종료되는 드레그 영역에 도달하면, 도 2에 도시된 바와 같이 백업롤러(121)가 전극 집전체(210)를 코팅 다이(110) 반대방향으로 이동시켜, 코팅을 종료시킨다.
코팅 과정에서, 코팅 다이가 연속적으로 활물질 슬러리를 공급함으로써, 전극 활물질 슬러리의 균일한 코팅이 가능하며, 아일랜드의 발생을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 코팅 다이는 상기 활물질 슬러리를 20 m/min 내지 100 m/min 의 속도로 공급할 수 있다.
본 발명에 있어서, 발코니 영역은 각각의 코팅 영역의 선단부에 대응하는 영역으로서 활물질 슬러리의 코팅이 시작되는 영역을 의미하며, 드레그 영역은 각각의 코팅 영역의 후단부에 대응하는 영역으로서 활물질 슬러리의 코팅이 종료되는 영역을 의미한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 전극 활물질 슬러리 코팅 장치
110: 코팅 다이
120: 이송 유닛
121: 백업롤러
130: 리사이클 탱크
210: 전극 집전체
220: 활물질 슬러리

Claims (5)

  1. 전극 집전체를 미리 정해진 공정 방향으로 연속적으로 이송하는 이송 유닛; 및 상기 이송 유닛에 의해 이송되고 있는 상기 전극 집전체의 미리 정해진 코팅 영역에 활물질 슬러리를 코팅하는 코팅 다이;를 포함하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치에 있어서,
    상기 코팅 다이는 활물질 슬러리를 연속적으로 공급하고,
    상기 이송 유닛은 좌우방향으로 수평 이동하여 패턴형으로 활물질 슬러리를 도포할 수 있는 백업롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 백업롤러가 좌우방향으로 수평 이동함에 따라 전극 집전체가 좌우방향으로 움직이는 것을 특징으로 하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 다이의 하방에 위치하여, 아래 방향으로 떨어지는 활물질 슬러리를 수용하고, 교반하는 리사이클 탱크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 백업롤러는 전극 집전체의 코팅 영역을 감지하는 센서에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서는 EPS(Edge position sensor)이고, 상기 백업롤러는 EPC(Edge position control)를 통해 작동되는 것을 특징으로 하는 전극 활물질 슬러리 코팅 장치.
KR1020220064351A 2016-11-04 2022-05-25 전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 방법 KR102494623B1 (ko)

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