KR102624435B1 - 전지의 전극 제조 방법 및 전지의 전극 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
전지의 전극 제조 방법에 있어서, 젖은 분체(damp powder)의 형태를 가지는 코팅재를 제조한다. 상기 코팅재를 전극 기재에 롤 프레스 방법으로 부착하여 상기 전극 기재 상에 코팅층을 형성한다. 상기 코팅층을 건조한다. 상기 건조된 코팅층에 대해 칼렌다링 공정을 진행한다.
Description
본 출원은 대체로(generally) 전지의 전극에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전지의 전극 제조 방법 및 전지의 전극 제조 장치에 관한 것이다.
최근에 전지, 특히, 이차전지는 금속 소재의 박판에 전극 활물질이 코팅된 전극을 채용하고 있다. 상기 전극 활물질을 코팅하는 공정으로는, 습식 공정 또는 건식 공정이 알려져 있다.
상기 습식 공정은 전극 활물질, 도전성 입자, 및 바인더를 용매에 용해하여 슬러리 형태를 가지는 코팅재를 제조하는 과정, 상기 코팅재를 슬롯 다이 코팅, 롤 코팅, 닥터 블레이딩 등의 방법으로 금속 기재에 코팅하여 전극 코팅층을 형성하는 과정, 및 상기 전극 코팅층 내의 용매를 증발시켜 제거하는 건조 과정으로 진행될 수 있다. 상기 습식 공정은 용매를 증발시키는 과정에서 에너지 소모가 크고, 상기 용매로서 유해한 유기 용매를 사용한다는 공정 상 어려움이 있을 수 있다.
한편, 건식 공정은 코팅재를 고상의 형태로 금속 기재에 코팅하는 방법으로서, US등록 4976904, US공개 2017-0098826, US등록 10062900 등에 개시되는 것과 같이 섬유화가 가능한 불소 수지를 바인더로 사용하는 기술, US 공개 2017-098818, US공개 2021-0144722 등에 개시되는 것과 같이, 코팅재를 분체(powder)의 형태로 전극 기재에 부착하는 기술 등이 있다. 상기 건식 공정은 코팅재를 제조할 때 상기 유기 용매를 사용하지 않으므로, 전극 활물질, 도전성 입자, 및 바인더가 혼합된 상기 코팅재 내의 성분 균일도가, 상기 습식 공정과 대비하여, 저하되는 어려움이 있을 수 있다.
본 출원의 실시 예는 전지의 전극을 효과적으로 제조하는 방법 및 이를 위한 전지의 전극 제조 장치를 제공한다.
본 출원의 일 관점에 따르는 전지의 전극 제조 방법에 있어서, 젖은 분체(damp powder)의 형태를 가지는 코팅재를 제조한다. 상기 코팅재를 전극 기재에 롤 프레스 방법으로 부착하여 상기 전극 기재 상에 코팅층을 형성한다. 상기 코팅층을 건조한다. 상기 건조된 코팅층에 대해 칼렌다링 공정을 진행한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 코팅층을 건조하는 단계는 불활성 기체로 채워진 장비 몸체 안에서 진행될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 코팅재를 제조하는 단계는 바인더, 전극 활물질, 및 도전성 카본을 포함하는 고형 성분과 용매를 제공하는 단계, 상기 바인더와 상기 용매를 혼합하여 제1 혼합 분체를 제조하되, 상기 제1 혼합 분체는 상기 용매에 의해 상기 부풀어오른 바인더를 포함하는 단계, 및 상기 제1 혼합 분체를 전극 활물질 및 도전성 카본과 혼합하여 상기 코팅재로서의 제2 혼합 분체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 고형 성분은 상기 전극 활물질 90 wt% 내지 98 wt%, 상기 도전성 카본 0.3 wt% 내지 3 wt%, 및 상기 바인더 1 wt% 내지8 wt%를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 혼합 분체를 제조하는 단계는 상기 바인더의 질량의 1 내지 5 배의 질량을 가지는 용매를 사용하여 상기 바인더와 상기 용매를 혼합하는 과정을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 바인더는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 포함하고, 상기 용매는 NMP(N-methyl pyrrolidone)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전극 활물질은 산화 리튬-니켈-코발트-망간계 화합물, 리튬 인산철, 리튬 산화 코발트, 산화 리튬 니켈 코발트 알루미늄, 산화 리튬 망간 코발트, 산화 리튬 망간, 흑연, 실리콘, 산화 리튬 티탄, 산화 티타늄 니켈, 나트륨-인산철계 화합물, 및 나트륨-(망간, 니켈, 구리, 코발트, 바나듐, 실리콘)계 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 도전성 카본은 카본 블랙, 카본 나노 튜브, 그래핀, 흑연, 및 캐천 블랙 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 코팅재는 전극 활물질 72 wt% 내지 97 wt%, 도전성 카본 0.3 wt% 내지 3 wt%, 바인더 1 wt% 내지 8 wt%, 및 용매 1 wt% 내지 20 wt%를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전극 기재 상에 상기 코팅층을 형성하는 단계는 상기 코팅재를 한 쌍의 코팅 롤 사이로 통과시켜, 상기 코팅재를 코팅 필름으로 성형하는 단계, 및 상기 롤 프레스 방법을 이용하여 상기 성형된 코팅 필름을 상기 전극 기재에 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 코팅재의 성형 단계는 서로 다른 회전 속도를 가지고 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 코팅 롤 사이에 상기 코팅재를 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 성형된 코팅 필름이 상기 한 쌍의 코팅 롤 중 회전 속도가 큰 코팅 롤 상에 부착되도록 할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 성형된 코팅 필름을 상기 전극 기재에 부착하는 단계는, 상기 성형된 코팅 필름이 부착된 상기 코팅 롤을 상기 전극 기재에 압착하여, 상기 성형된 코팅 필름을 상기 전극 기재로 전이시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 성형된 코팅 필름의 두께는 상기 한 쌍의 코팅 롤의 회전 속도비에 의해 결정될 수 있다.
본 출원의 다른 관점에 따르는 전지의 전극 제조 장치는 한 쌍의 코팅 롤을 구비하는 롤 코팅 파트를 내부에 수용하는 장치 몸체, 상기 장치 몸체의 외부에 배치되고, 상기 롤 코팅 파트에 전극 기재를 공급하는 기재 공급 파트, 및 상기 장치 몸체의 외부에 배치되고, 상기 롤 코팅 파트에 젖은 분체의 형태를 가지는 코팅재를 공급하는 코팅재 공급 파트를 포함한다. 상기 롤 코팅 파트는 상기 한 쌍의 코팅 롤을 이용하여 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 코팅재를 코팅 필름으로 성형하고, 상기 성형된 코팅 필름을 상기 전극 기재 상에 부착시키도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 장치 몸체의 내부에서, 상기 롤 코팅 파트의 후단에 순차적으로 배치되는 건조 파트 및 칼렌다링 파트를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 한 쌍의 코팅 롤은 서로 다른 회전 속도를 가지고 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성되며, 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 상기 코팅재는 상기 한 쌍의 코팅 롤 사이를 통과하면서 상기 코팅 필름으로 성형될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 성형된 코팅 필름은 상기 한 쌍의 코팅 롤 중 회전 속도가 큰 코팅 롤 상에 부착되며, 상기 성형된 코팅 필름이 부착된 상기 코팅 롤은 상기 전극 기재로 상기 성형된 코팅 필름을 전이 시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 장치 몸체의 하부에 배치되어, 바인더, 전극 활물질, 도전성 카본 및 용매를 혼합하여 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 상기 코팅재를 제조하는 코팅재 제조 파트를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 장치 몸체의 하부에 배치되고, 상기 코팅재로부터 증발된 후에 상기 장치 몸체의 내벽부에서 응결된 용매를 수집하는 용매 수집 파트를 더 포함할 수 있다. 상기 용매 수집 파트는 용매 배출구를 통해 상기 수집된 용매를 상기 혼합 분체 제조 파트에 제공할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 장치 몸체의 외부에 배치되고, 상기 장치 몸체의 내부에 불활성 가스를 제공하는 가스 제공 파트를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 장치 몸체의 내벽부 또는 외벽부에 배치되는 냉각수 순환 장치, 및 상기 장치 몸체의 외부에 배치되어 상기 냉각수 순환 장치에 냉각수를 제공하는 냉각수 공급 파트를 더 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르면, 슬러리가 아닌 젖은 분체(damp powder)의 형태를 가지는 코팅재를 롤 프레스 방법으로 전극 기재에 코팅함으로써, 용매의 사용량을 줄임으로써 건조에 사용되는 에너지와 건조 설비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르면, 불활성 가스로 채워진 장치 몸체 안에서 성형과 코팅, 건조, 용매의 재회수가 이루어지는 것으로서 한 쌍의 코팅 롤을 구비하는 롤 코팅 파트를 구비하는 전지의 전극 제조 장치를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 코팅 롤은 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 코팅재를 성형하여 코팅 필름을 형성하고, 상기 코팅 필름을 상기 전극 기재에 부착시킴으로써, 상기 전지의 전극을 효과적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1의 S100 단계를 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따라 제조된 코팅재를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방치의 롤 코팅 파트를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 장치의 건조 파트 및 칼렌다링 파트를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 한 쌍의 코팅 롤의 회전 속도 비에 따르는 코팅 필름의 두께를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전체 롤 회전 속도에 따르는 코팅 필름의 두께를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 코팅재 및 코팅층을 나타내는 전자 현미경 사진이다.
도 2는 도 1의 S100 단계를 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따라 제조된 코팅재를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방치의 롤 코팅 파트를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 장치의 건조 파트 및 칼렌다링 파트를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 한 쌍의 코팅 롤의 회전 속도 비에 따르는 코팅 필름의 두께를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전체 롤 회전 속도에 따르는 코팅 필름의 두께를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 코팅재 및 코팅층을 나타내는 전자 현미경 사진이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서는 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원의 명세서에서 사용하는 용어들은 제시된 실시 예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우 정의된 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석될 수 있다. 본 출원의 예의 기재에서 "제1" 및 "제2"와 같은 기재는 부재를 구분하기 위한 것이며, 부재 자체를 한정하거나 특정한 순서를 의미하는 것으로 사용된 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 종래의 습식 공정에 따라 전지의 전극을 제조하는 경우, 상기 전극 활물질, 상기 도전성 입자, 및 상기 바인더를 용해할 유기 용매로서 통상 NMP(N-methyl pyrrolidone)가 적용될 수 있다. 상기 유기 용매를 건조하는 과정에서, 증발된 상기 NMP의 함량이 공기 중에서 임계치를 넘어설 때, 상기 NMP가 산소와 반응하여 폭발하는 현상이 발생할 수 있다. 상기 임계치는 일 예로서, 공기 중 상기 NMP 함량이 1.3 vol% 인 수치일 수 있다. 이에 따라, 상기 NMP의 폭발 현상을 막기 위해, 상기 건조 과정에서 상기 공기 중의 상기 NMP의 함량을 상기 임계치 아래로 낮추는 희석 가스를 충분히 공급할 것이 요청되고 있다. 따라서, 종래의 습식 공정은, 상기 NMP의 희석 환경을 제공할 건조로를 마련하기 위한 높은 설비 투자 비용 및 상기 건조로 가동을 위한 높은 에너지 비용이 필요할 수 있다.
반면에, 종래의 건식 공정에 따라 전지의 전극을 제조하는 경우, 혼합 분체인 코팅재를 액상의 용매 없이 금속 기재에 코팅하므로, 코팅층의 균질성이 저하될 수 있다. 즉, 상기 건식 공정을 진행할 경우, 상기 혼합 분체 내에서 상기 전극 활물질 입자와 상기 도전성 탄소 입자들이 균일하게 혼합되지 못할 수 있다. 그 결과, 상기 건식 공정은, 상기 습식 공정과 대비하여, 제조된 코팅층에 표면 크랙을 생성시킬 가능성이 있고, 이에 따라, 상기 건식 공정의 생산성이 상대적으로 저하될 수 있다.
이와 대비하여, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방법은 슬러리가 아닌 젖은 분체(damp powder)의 형태를 가지는 코팅재를 롤 프레스 방법으로 전극 기재에 코팅하는 방법을 제공할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 상기 코팅재는 종래의 습식 공정에 적용되는 슬러리 형태의 코팅재와 대비하여, 용매인 NMP의 함량이 상대적으로 작을 수 있다. 통상적으로, 30 wt% 이상의 NMP를 포함하는 상기 슬러리 형태의 코팅재와 비교하여, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 코팅재는 20 wt% 이하의 NMP를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 NMP의 건조에 소모되는 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방법은 용매를 사용하지 않는 상기 건식 공정과 대비하여, 상기 코팅재의 구성 성분이 균일한 혼합 상태를 가질 수 있다. 또한, 롤 프레스 공정 시에 상기 젖은 분체에 함유된 용매의 윤활 작용에 의해 상기 코팅재와 전극 기재의 접착력이 향상될 수 있다. 이에 따라, 전극 기재 상에 전극 활물질의 코팅층이 형성된 전지의 전극을 효과적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 2는 도 1의 S100 단계를 구체적으로 나타내는 순서도이다. 도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따라 제조된 코팅재를 나타내는 사진이다.
일 실시 예에서, 도 1 및 도 2와 관련하여 설명하는 전지의 전극 제조 방법은 전극 활물질, 도전성 카본 및 바인더를 포함하는 코팅재를 전극 기재에 코팅하여, 상기 전극 기재 상에 전극층을 형성하는 과정으로 진행될 수 있다. 이어서, 상기 코팅된 전극층의 건조 과정 및 칼렌다링 공정을 순차적으로 진행할 수 있다. 상기 전지의 전극 제조 방법은 일 예로서, 2차 전지의 양극 전극 또는 음극 전극의 제조 방법에 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, S100 단계에서, 젖은 분체(damp powder)의 형태를 가지는 코팅재를 제공한다. 구체적으로 S100 단계는 도 2의 S110 단계에서, 바인더에 소정의 용매를 혼합하여 부푼 바인더를 포함하는 제1 혼합 분체를 제조하는 과정과 S120 단계에서, 상기 제1 혼합 분체를 전극 활물질 및 도전성 카본과 혼합하여 상기 코팅재로서의 제2 혼합 분체를 제조하는 과정으로 진행될 수 있다.
도 1의 S100 단계, 도 2의 S110 단계 및 S120 단계를 참조하면, 먼저, 상기 바인더, 상기 전극 활물질, 및 상기 도전성 카본을 포함하는 고형 성분을 제공한다. 또한, 액상의 용매를 제공한다.
일 실시 예에서, 상기 고형 성분은 상기 전극 활물질 90 wt% 내지 98 wt%, 상기 도전성 카본 0.3 wt% 내지 3 wt%, 및 상기 바인더 1 wt% 내지 8 wt%를 포함할 수 있다. 상기 전극 활물질은 일 예로서, 산화 리튬-니켈-코발트-망간계 화합물, 리튬 인산철, 리튬 산화 코발트, 산화 리튬 니켈 코발트 알루미늄, 산화 리튬 망간 코발트, 산화 리튬 망간, 흑연, 실리콘, 산화 리튬 티탄, 산화 티타늄 니켈, 나트륨-인산철계 화합물, 나트륨-(망간, 니켈, 구리, 코발트, 바나듐, 실리콘)계 화합물 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 상기 도전성 카본은 일 예로서, 카본 블랙, 카본 나노 튜브, 그래핀, 흑연, 캐천 블랙 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 상기 바인더는 불소를 포함하는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 바인더는 일 예로서, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, 이하 PVDF) 를 포함할 수 있다. 상기 용매는 일 예로서, N-메틸피로리돈(N-methylpyrrolidone, 이하 NMP)을 포함할 수 있다.
도 2의 S110 단계를 참조하면, 상기 바인더에 상기 용매를 혼합하여 제1 혼합 분체를 제조한다. 일 실시 예에서, 상기 제1 혼합 분체를 제조하는 단계는 상기 바인더의 질량의 1 내지 5 배의 질량을 가지는 용매를 사용하여 상기 바인더와 상기 용매를 혼합하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 용매의 질량이 상기 바인더의 질량의 1 배 미만인 경우, 윤활이 부족하여 코팅층의 형성시에 성형성이 저하되며, 상기 용매의 질량이 상기 바인더의 질량의 5 배를 초과하는 경우, 코팅 롤들에 달라붙어 필름이 형성되지 않는 경향이 있고, 용매의 양이 과다하여 건조에 필요한 에너지가 과도하게 소모될 수 있다.
상기 바인더와 상기 용매의 혼합은 일 예로서, 고점도 믹서 혹은 블레이드 믹서를 사용하여 진행될 수 있다. 상기 제조된 제1 혼합 분체는 슬러리가 아닌 젖은 분체의 형태를 가질 수 있다. 상기 제1 혼합 분체는 상기 용매에 의해 부풀어오른 상기 바인더를 포함할 수 있다.
도 2의 S120 단계를 참조하면, 상기 제1 혼합 분체를 전극 활물질 및 도전성 카본과 혼합하여 상기 코팅재로서의 제2 혼합 분체를 제조할 수 있다. 상기 제2 혼합 분체의 제조는 고속 믹서를 사용하여 상기 제1 혼합 분체, 상기 전극 활물질 및 상기 도전성 카본을 교반하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 제2 혼합 분체는 젖은 분체의 형태를 가질 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 제2 혼합 분체는 상기 전극 활물질 72 wt% 내지 97 wt%, 상기 도전성 카본 0.3 wt% 내지 3 wt%, 상기 바인더 1 wt% 내지 8 wt%, 및 상기 용매 1 wt% 내지 20 wt%를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 구성 성분의 함량에 따르는 코팅재의 형태가 개시되고 있다. 도 3의 (A) 내지 (D)에 도시되는 코팅재는 상기 전극 활물질로서 NMC111(Unicore 사 제품) 또는 NMC622(Unicore 사 제품), 상기 도전성 카본으로서 케천블랙(Ketjen Black), 상기 바인더로서 PVDF를 포함하고, 상기 용매로서 상기 NMP를 포함한다. 도 3의 (A)에 도시되는 코팅재는 NMC111 77 wt%, 케천블랙 3%, PVDF 5% 및 NMP 15%를 포함한다. 도 3의 (B)에 도시되는 코팅재는 NMC622 83.3 wt%, 케천블랙 2.4%, PVDF 2.4% 및 NMP 11.9%를 포함한다. 도 3의 (C)에 도시되는 코팅재는 NMC111 89.6 wt%, 케천블랙 1.9%, PVDF 2.8% 및 NMP 5.7%를 포함한다. 도 3의 (D)에 도시되는 코팅재는 NMC111 91.1 wt%, 케천블랙 1.9%, PVDF 2.4% 및 NMP 4.6%를 포함한다.
도 3의 (A) 내지 (D)를 참조하면, 상기 코팅재 내에서 PVDF와 NMP의 함량이 높을수록 상기 코팅재가 응집된 덩어리의 형태를 가지며, 상기 코팅재 내에서 PVDF와 NMP의 함량이 낮을수록 분말의 형태를 가지고 있음을 알 수 있다.
도 1의 S200 단계를 참조하면, 상기 코팅재를 전극 기재 상에 롤 프레스 코팅하여 코팅층을 형성한다. 일 실시 예에서, 상기 전극 기재 상에 상기 코팅층을 형성하는 단계는, 도 4 및 도 5의 전지의 전극 제조 장치(1)의 동작과 관련하여 후술하는 바와 같이, 코팅재(401)를 롤 코팅 파트(110)의 한 쌍의 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12) 및 한 쌍의 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 사이로 통과시켜, 코팅재(401)를 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)으로 성형하는 과정 및 상기 롤 프레스 방법을 이용하여 성형된 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)을 전극 기재(81)에 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 전극 기재(81)는 일 예로서, 금속 박판의 형태를 가질 수 있다. 상기 금속 박판은 일 예로서, 6 μm 내지 20 μm의 두께를 가질 수 있다. 전극 기재(81)는 알루미늄을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 코팅재(401)의 성형 단계는, 도 5에 도시되는 것과 같이, 서로 다른 회전 속도를 가지고 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12) 및 한 쌍의 제2 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 사이로 코팅재(401)를 각각 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 성형된 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)은 한 쌍의 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12) 및 한 쌍의 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 중 회전 속도가 큰 제2 및 제3 코팅 롤(R12, R13) 상에 각각 부착될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 성형된 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 두께는 한 쌍의 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12)의 회전 속도비 및 한 쌍의 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)의 회전 속도비에 의해 각각 결정될 수 있다.
일 실시 예에서, 성형된 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)을 전극 기재(81)에 부착하는 단계는 도 5에 도시되는 것과 같이, 성형된 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)이 부착된 제2 및 제3 코팅 롤(R12, R13)을 전극 기재(81)에 압착하여, 성형된 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)을 전극 기재(81)로 전이시키는 과정을 포함할 수 있다.
도 1의 S300 단계를 참조하면, 상기 전극 기재에 형성된 코팅층을 건조할 수 있다. 상기 코팅층의 건조는 도 4 및 도 6의 전지의 전극 제조 장치(1)의 동작과 관련하여 후술하는 바와 같이, 건조 파트(120)의 제1 내지 제4 건조 롤(R21, R22, R23, R24)과의 열 접촉 방법 및 적외선 히터(122)에 의한 증발법을 이용하여 진행될 수 있다. 상기 건조 단계는 상기 코팅층 내부의 용매를 증발시켜, 제거하는 동작을 수행할 수 있다.
도 1의 S400 단계를 참조하면, 상기 건조된 코팅층에 대하여 칼렌다링 공정을 진행할 수 있다. 상기 칼렌다링 공정은 도 4 및 도 6의 전지의 전극 제조 장치(1)의 동작과 관련하여 후술하는 바와 같이, 칼렌다링 파트(130)의 제1 및 제2 칼렌다링 롤(R31, R32)을 이용하여 진행될 수 있다.
상기 칼렌다링 공정은 제1 및 제2 칼렌다링 롤(R31, R32) 사이에 상기 코팅층이 형성된 상기 전극 기재를 통과시켜, 상기 코팅층 및 전극 기재에 열 및 압력을 인가하는 공정을 의미할 수 있다. 상기 칼렌다링 공정을 통해, 상기 코팅층의 건조 과정(S300)에서 상기 용매의 증발로 인해 저하된 상기 코팅층의 내부 밀도를 증가시키고, 상기 코팅층과 상기 전극 기재 사이의의 접착력을 증가시킬 수 있다. 상술한 공정을 통해 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극을 제조할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 있어서, 도 1의 S200 단계의 상기 코팅층을 형성하는 단계 및 S300 단계의 상기 코팅층을 건조하는 단계는 불활성 기체로 채워진 장비 몸체 안에서 진행될 수 있다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이, 상기 코팅층의 형성 및 건조 단계에서, 상기 장비 몸체 내에서 증발된 NMP가 폭발하는 현상을 방지할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방법은 젖은 분체(damp powder)의 형태를 가지는 코팅재를 롤 프레스 방법으로 전극 기재에 코팅하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 상기 코팅재는 종래의 습식 공정에 적용되는 슬러리 형태의 코팅재와 대비하여, 용매인 NMP의 함량이 상대적으로 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 NMP의 건조에 소모되는 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방법은 용매를 사용하지 않는 종래의 건식 공정과 대비하여, 상기 코팅재의 구성 성분이 균일한 혼합 상태를 가질 수 있다. 또한, 롤 프레스 공정 시에 젖은 분체에 함유된 상기 용매의 윤활 작용에 의해 상기 코팅재와 전극 기재의 접착력이 향상될 수 있다. 이에 따라, 전극 기재 상에 전극 활물질의 코팅층이 형성된 전지의 전극을 효과적으로 제조할 수 있다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 5는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 방치의 롤 코팅 파트를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 장치의 건조 파트 및 칼렌다링 파트를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4 내지 도 6와 관련하여 설명되는 전지의 전극 제조 장치(1)는 도 1 및 도 2와 관련하여 설명한 전지의 전극 제조 방법을 수행할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전지의 전극 제조 장치(1)는 코팅층의 형성 공정이 진행되는 내부 공간을 구비하는 장치 몸체(105)를 포함할 수 있다. 또한, 전지의 전극 제조 장치(1)는 장치 몸체(105)의 외부에 배치되는 기재 공급 파트(210), 전극 수용 파트(220), 코팅재 제조 파트(300), 코팅재 공급 파트(400), 냉각수 공급 파트(500), 가스 공급 파트(600) 및 전극 수용 파트(220)를 포함할 수 있다. 장치 몸체(105)는 외부와 격리되는 밀폐 또는 반 밀폐된 하우징을 구비할 수 있다. 장치 몸체(105)는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 장치 몸체(105)는 스테인레스 강판으로 이루어질 수 있다. 장치 몸체(105)는 내부에 롤 코팅 파트(110), 건조 파트(120) 및 칼렌다링 파트(130)를 구비할 수 있다.
도 4를 참조하면, 코팅재 제조 파트(300)와 코팅제 공급 파트(400)가 장치 몸체(105)의 외부에 배치될 수 있다. 코팅재 제조 파트(300)는 젖은 분체의 형태를 가지는 코팅재를 제조할 수 있다. 일 실시 예에서, 코팅재 제조 파트(300)는 도 1의 S100 단계 및 도 2의 S110 단계 및 S120 단계를 수행할 수 있다.
코팅재 제조 파트(300)는 바인더, 용매, 전극 활물질 및 카본을 각각 보관하고 계량하는 홉퍼를 포함할 수 있다. 또한, 코팅재 제조 파트(300)는 상기 바인더 및 상기 용매를 혼합하여 제1 혼합 분체를 제조하는 제1 믹서와, 상기 제조된 재1 혼합 분체를 전극 활물질 및 도전성 카본과 혼합 및 교반하여 상기 코팅재인 제2 혼합 분체를 제조하는 제2 믹서를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 젖은 분체로서의 상기 코팅재는 전극 활물질 72 wt% 내지 97 wt%, 도전성 카본 0.3 wt% 내지 3 wt%, 바인더 1 wt% 내지 8 wt%, 및 용매 1 wt% 내지 20 wt%를 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 코팅재는 상기 전극 활물질로서 NMC111(Unicore 사 제품), 상기 도전성 카본으로서 케천블랙(Ketjen Black), 상기 바인더로서 PVDF를 포함하고, 상기 용매로서 NMP를 포함할 수 있다.
코팅재 제조 파트(300)는 제조된 코팅재를 제1 배관(701)을 통해 코팅재 공급 파트(400)로 제공할 수 있다. 코팅재 공급 파트(400)는 코팅재 제조 파트(300)에서 제조된 상기 코팅재를 보관하는 저장소를 포함할 수 있다. 코팅재 공급 파트(400)는 상기 제조된 코팅재를 제2 배관(702)을 통해 장치 몸체(105)의 롤 코팅 파트(110)로 이송할 수 있다.
도 4를 참조하면, 기재 공급 파트(210)가 장치 몸체(105)의 롤 코팅 파트(110)로 전극 기재(81)를 공급할 수 있다. 전극 기재(81)는 일 예로서, 금속 박판의 형태를 가질 수 있다. 상기 금속 박판은 일 예로서, 6 μm 내지 20 μm의 두께를 가질 수 있다. 전극 기재(81)는 알루미늄을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 기재 공급 파트(210)는 감긴 형태로 적재된 전극 기재(81)를 언와이딩하여 이송 장치(미도시)를 통해 장치 몸체(105) 내부의 롤 코팅 파트(110)로 전송할 수 있다. 도 4에서는 전극 제조 공정에 따르는 전극 기재(81)의 이송 경로를 'M'으로 도시하고 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 장치 몸체(105) 내부의 롤 코팅 파트(110)는 코팅재 공급 파트(400)로부터 제공되는 코팅재(401)를 전극 기재(81) 상에 롤 프레스 코팅하여 전극 기재(81) 상에 코팅층을 형성할 수 있다. 즉, 롤 코팅 파트(110)는 도 1의 S200 단계를 수행할 수 있다. 도 5에 도시되는 것과 같이, 상기 코팅층이 형성된 전극 기재(81)는 제1 중간 전극(82)으로 명명될 수 있다.
도 5를 참조하면, 롤 코팅 파트(110)는 제1 내지 제4 코팅 롤(R11, R12, R13, R14)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 코팅 롤(R11, R12, R13, R14)은 동일한 높이를 이루도록 수평으로 배치될 수 있다. 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12)이 한 쌍을 이루도록 배치되고, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)이 다른 한 쌍을 이루도록 배치될 수 있다. 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12)은 서로 다른 회전 속도를 가지며 서로 반대 방향으로 회전하도록 배치될 수 있다. 제1 코팅 롤(R11)은 시계 방향(Ra)으로 회전하며, 제2 코팅 롤(R12)은 반시계 방향(Rb)으로 회전할 수 있다. 제2 코팅 롤(R12)의 회전 속도는 제1 코팅 롤(R11)의 회전 속도보다 클 수 있다. 마찬가지로, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)이 서로 다른 회전 속도를 가지며 서로 반대 방향으로 회전하도록 배치될 수 있다. 제3 코팅 롤(R13)은 시계 방향(Ra)으로 회전하며, 제4 코팅 롤(R14)은 반시계 방향(Rb)으로 회전할 수 있다. 제3 코팅 롤(R13)의 회전 속도는 제4 코팅 롤(R14)의 회전 속도보다 클 수 있다.
젖은 분체 형태의 코팅재(401)가 제2 배관(702)을 통해 롤 코팅 파트(110) 내부의 홉퍼(112a) 내로 이송될 수 있다. 홉퍼(112a)로 이송된 코팅재(401)는 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12) 사이로 공급될 수 있다. 코팅재(401)는 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12) 사이를 통과하면서, 제1 코팅 필름(402a)으로 성형될 수 있다. 성형된 제1 코팅 필름(402)은 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12) 중 회전 속도가 큰 제2 코팅 롤(R12)에 부착될 수 있다. 마찬가지로, 젖은 분체 형태의 코팅재(401)가 제2 배관(702)을 통해 홉퍼(112b)로 이송된 후에, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 사이로 공급될 수 있다. 코팅재(401)는 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 사이를 통과하면서, 제2 코팅 필름(402b)으로 성형될 수 있다. 성형된 제2 코팅 필름(402b)은 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 중 회전 속도가 큰 제3 코팅 롤(R13)에 부착될 수 있다.
이어서, 전극 기재(81)가 제2 및 제3 코팅 롤(R12, R13) 사이를 통과하면서, 전극 기재(81)의 양 면 상에 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)이 부착될 수 있다. 그 결과, 전극 기재(81)의 양 면 상에 코팅층이 형성된 제1 중간 전극(82)이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 성형 및 부착 공정은 상기 용매인 NMP의 비등점인 204℃ 미만에서 진행될 수 있다. 상기 성형 및 부착 공정이 상기 NMP의 비등점 이상의 온도에서 진행될 경우, 상기 NMP의 폭발적 증발로 인해 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b) 및 상기 코팅층 내 결함이 발생하고 전극 기재(81)와의 접착력이 감소할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 성형 및 부착 공정은 일 예로서, 80℃ 내지 200℃의 온도에서 진행될 수 있다.
제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 두께는 각각 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12)의 회전 속도비 및 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)의 회전 속도비에 의해 결정될 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 코팅 롤(R11)의 회전 속도 대비 제2 코팅 롤(R12)의 회전 속도의 비가 커질수록, 제1 코팅 필름(402a)의 두께는 얇아질 수 있다. 마찬가지로, 제4 코팅 롤(R14)의 회전 속도 대비 제3 코팅 롤(R13)의 회전 속도의 비가 커질수록, 제2 코팅 필름(402b)의 두께는 얇아질 수 있다. 이때, 전극 기재(81)의 양면에 코팅되는 상기 코팅층의 두께가 동일하도록, 제2 및 제3 코팅 롤(R12, R13)의 회전 속도를 서로 동일하도록 제어하고, 제1 및 제4 코팅 롤(R11, R14)의 회전 속도를 서로 동일하도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 두께를 제어하기 위해, 제2 및 제3 코팅 롤(R12, R13)의 회전 속도를 고정하고, 제1 및 제4 코팅 롤(R11, R14)의 회전 속도를 개별적인 모터들을 사용하여 변화시킬 수 있다. 일 예로서, 제1 및 제4 코팅 롤(R11, R14)의 회전 속도를 각각 증가시켜, 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 두께를 증가시키고, 제1 및 제4 코팅 롤(R11, R14)의 회전 속도를 각각 감소시켜, 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 두께를 감소시킬 수 있다.
다른 실시 예에서, 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 두께를 제어하기 위해, 제1 및 제2 코팅 롤(R11, R12)의 회전 속도비 및 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)의 회전 속도비를 고정한 상태에서, 제1 내지 제4 코팅 롤(R11, R12, R13, R14)의 회전 속도를 동시에 변화시킬 수 있다. 제1 내지 제4 코팅 롤(R11, R12, R13, R14)의 회전 속도를 동시에 증가시키면, 전단 연화(sheer thinning) 효과에 의해 상기 코팅재의 점도가 감소하여 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)의 두께가 감소할 수 있다.
즉, 이러한 원리를 이용하여 코팅 층의 두께를 조절할 수 있다. 생산 중에 실시간으로 두께를 측정하여 기준치에서 벗어나지 않도록 모터들의 회전 속도를 조절함으로써 불량을 줄일 수 있다. 실시간 두께 측정 센서들은 레이저, 초음파, 기계적 변위를 측정하는 다양한 방법들이 상용화되어 있다. 다시 말하면, 상기 성형된 코팅 필름의 두께는 상기 한 쌍의 코팅 롤의 회전 속도비와 회전 속도에 의해 조절될 수 있으며, 상기 두께 측정 센서와 연동하여 상기 모터들의 속도가 조절될 수 있다.
상기 두께가 제어된 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)은 제2 및 제3 코팅 롤(R12, R13)의 압착력에 의해 전극 기재(81)로 전이됨으로써, 전극 기재(81)에 부착된 상기 코팅층으로 변환될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b) 내부에는 미증발된 NMP가 존재할 수 있다. 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)이 제2 및 제3 코팅 롤(R12, R13)에 의해 압착될 때, 상기 미증발된 NMP가 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)와 전극 기재(81) 사이로 이동하여 윤활 작용을 할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 코팅 필름(402a, 402b)와 전극 기재(81) 사이의 접착력이 향상될 수 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 장치 몸체(105) 내에서 롤 코팅 파트(110)의 후단에 건조 파트(120)와 칼렌다링 파트(130)가 순차적으로 배치될 수 있다.
건조 파트(120)는 제1 중간 전극(82)의 상기 코팅층 내부에 분포하는 상기 NMP를 증발시켜 제거할 수 있다. 즉, 건조 파트(120)는 도 1의 S300 단계의 건조 공정을 수행할 수 있다. 건조 파트(120)는 제1 중간 전극(82)의 이동 방향(M)을 따라 순차적으로 배치되는 제1 가이드 롤(R21), 제1 및 제2 건조 롤(R22, R23), 및 제2 가이드 롤(R24)과 적외선 히터(122)를 포함할 수 있다.
가열된 제1 건조 롤(R22)는 시계 방향(Ra)으로 회전하며, 가열된 제2 건조롤(R23)은 반시계 방향(Rb)으로 회전하면서 제1 중간 전극(82)과 접촉할 수 있다. 제1 및 제2 건조 롤(R22, R23)을 이용하는 건조 방법은, 자연 건조 방법과 대비할 때 증발 속도를 향상시키고, 상기 코팅층의 내부 기포를 제거하여 박막을 치밀화 하는 데 유리할 수 있다. 제1 및 제2 가이드 롤(R21, R24)는 각각 반시계 방향(Rb) 및 시계 방향(Ra)으로 회전하면서, 제1 중간 전극(82)의 이송 방향을 변화시킬 수 있다.
제1 및 제2 건조 롤(R22, R23)과 제1 및 제2 가이드 롤(R21, R24)의 후단에 적외선 히터(122)가 배치되어, 상기 코팅층 내에 잔존하는 NMP를 제거할 수 있다. 도 6에 도시되는 바와 같이, 적외선을 방출하는 히터를 제1 중간 전극(82)의 이동 방향을 따라 배치함으로써, 상기 NMP를 추가적으로 제거할 수 있다. 제1 중간 전극(82)은 건조 파트(120)를 통과하면서 내부의 NMP가 제거된 후에, 제2 중간 전극(83)으로 변환될 수 있다.
칼렌다링 파트(130)는 도 1의 S400 단계의 칼렌다링 공정을 수행할 수 있다. 칼렌다링 파트(130)는 한 쌍의 제1 및 제2 칼렌다링 롤(R31, R32)을 포함할 수 있다. 제1 칼렌다링 롤(R31)은 반시계 방향(Rb)으로 회전하고, 제2 칼렌다링 롤(R32)는 시계 방향(Ra)으로 회전할 수 있다. 제1 및 제2 칼렌다링 롤(R31, R32)는 일 예로서, 150℃ 내지 250℃의 온도를 유지할 수 있다.
서로 반대 방향으로 회전하는 제1 및 제2 칼렌다링 롤(R31, R32) 사이를 제2 중간 전극(83)이 통과하면서 열과 압력을 인가받을 수 있다. 한 쌍의 제1 및 제2 칼렌다링 롤(R31, R32)을 이용하는 칼렌다링 공정을 통해, 제2 중간 전극(82)의 상기 코팅층의 밀도가 증가하며, 상기 코팅층과 전극 기재(81) 사이의 접착력이 향상될 수 있다. 상기 칼렌다링 공정을 거치면서, 제2 중간 전극(83)은 전지 전극(84)으로 변환될 수 있다. 제조된 전지 전극(84)는 장치 몸체(105)로부터 배출되어 도 4에 도시된 전극 수용 파트(220)로 이송된 후에 저장될 수 있다. 전극 수용 파트(220)에서 전지 전극(84)는 리와인더(rewinder)에 감긴 상태로 저장될 수 있다.
몇몇 다른 실시 예에 있어서, 전지의 전극 제조 장치는 별도의 진공 건조 장치를 구비할 수 있다. 전극 수용 파트(220)에 저장된 전지 전극(84)을 상기 진공 건조 장치로 이동시켜, 전지 전극(84)를 추가적으로 건조할 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 장치 몸체(105) 내부에 제1 및 제2 가이드 롤(801, 802)이 배치되고, 장치 몸체(105)의 외부에 제3 가이드 롤(803)이 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 가이드 롤(803)은 장치 몸체(105) 내부 및 외부에서 전극 기재(81)의 이송 방향을 원활하게 변경하는 역할을 수행할 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 장치 몸체(105)의 내벽부 또는 외벽부에 냉각수 순환 장치(501)가 배치될 수 있다. 냉각수 순환 장치(501)는 일 예로서, 장치 몸체(105)를 둘러싸도록 배치되는 냉각 파이프 또는 냉각 재킷을 포함할 수 있다. 또한, 장치 몸체(105)의 외부에 냉각수 공급 파트(500)가 배치될 수 있다. 냉각수 공급 파트(500)는 제3 배관(703)을 통해 냉각수 순환 장치(501)에 냉각수를 제공할 수 있다. 상기 냉각수는 상온 이하의 온도를 가질 수 있다.
냉각수 순환 장치(501)에 의해 상기 냉각수가 순환함으로써, 장치 몸체(105)가 냉각될 수 있다. 이때, 장치 몸체(105)의 내부에서 코팅재(104)로부터 증발된 상기 NMP가 장치 몸체(105)의 내벽에서 응결될 수 있다. 상기 응결된 NMP는 장치 몸체(105)의 내벽을 타고 하부로 이동하여, 용매 수집 파트(105a)에 수용될 수 있다. 도 4의 'F'는 응결된 NMP의 이동 방향을 나타낼 수 있다. 용매 수집 파트(105a)에 수용된 액상의 NMP(301)는 용매 배출구(105b)를 통해 장치 몸체(105)의 외부로 배출될 수 있다. 외부로 배출된 액상의 NMP(301)는 제4 배관(704)를 통해 코팅재 제조 파트(300)로 이송될 수 있다. 코팅재 제조 파트(300)로 이동한 액상의 NMP(301)는 코팅재(401)를 제조하는 용매로서 재사용될 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 장치 몸체(105)의 외부에 가스 공급 파트(600)가 배치될 수 있다. 가스 공급 파트(600)는 제5 배관(705)을 통해, 장치 몸체(105)의 내부에 불활성 가스를 제공할 수 있다. 상기 불활성 가스는 일 예로서, 질소를 포함할 수 있다. 상기 불활성 가스의 공급에 의해 장치 몸체(105) 내부의 압력이 외부의 압력보다 높게 유지됨으로써, 외부로부터 장치 몸체(105) 내부로의 공기 유입을 효과적으로 차단할 수 있다. 상기 유입된 상기 불활성 가스는 롤의 회전 축처럼 회전하는 부분이나 전극 기재(81)가 출입하는 부분들을 통해서 장치 몸체(105)로부터 배출될 수 있다. 그 외 제6 배관(미도시)를 통해 장치 몸체(105)로부터 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 상술한 건조 과정에서 증발된 상기 NMP의 함량이 공기 중에서 임계치를 넘어설 때, 상기 NMP가 산소와 반응하여 폭발하는 현상이 발생할 수 있다. 상기 임계치는 일 예로서, 공기 중 상기 NMP 함량이 1.3 vol% 인 수치일 수 있다. 한편, 종래의 습식 공정에서는 상기 건조 과정은 노출된 공간에서 충분한 양의 공기 분위기에서 진행될 수 있다. 이에 따라, 상기 건조 과정에서 상기 NMP의 함량을 상기 임계치 미만으로 유지할 수 있다. 반면에, 본 출원의 실시 예와 같이, 다량의 공기와 접촉하기 어려운 밀폐 또는 반밀폐의 장치 몸체(105) 내부에서는 상기 건조 과정에서 상기 NMP의 함량을 상기 임계치 미만으로 유지하기 어려울 수 있다. 이에 따라, 본 출원의 일 실시 예서는, 장치 몸체(105) 내부로 불활성 가스를 별도로 주입할 수 있다. 일 예로서, Paul M. Osterberg et al. "Experimental Limiting Oxygen Concentrations for Nine Organic Solvents at Temperatures and Pressures Relevant to Aerobic Oxidations in the Pharmaceutical Industry" Org. Process Res. Dev. 2015, 19, 1537~1543, 에 따르면 밀폐형 용기의 내부에서, 산소의 함량이 8 vol% 이하로 유지되면 NMP의 폭발의 가능성이 없다고 개시되고 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르면, 가스 공급 파트(600)가 장치 몸체(105)의 내부에 상기 불활성 가스를 공급함으로써, 장치 몸체(105) 내부의 산소 함량을 임계치 아래로 낮춤으로써, 상기 NMP의 폭발 현상이 방지될 수 있다. 즉, 상기 불활성 가스에 의해 챔버 내의 산소 함량을 8% 이하로 관리함으로써, 상기 NMP의 폭발을 방지할 수 있다.
일 실시 예로서, 상기 불활성 가스로서 질소를 사용하는 경우, 압축 저장된 질소를 배관을 통해 공급하거나, 액체 질소로부터 증발된 기체를 공급할 수 있다. 또한 PSA(Pressure swing adsorption)방법이나 멤브레인 방법을 적용하여, 상기 질소를 공급할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 불활성 가스는 수분을 충분히 제거한 후, 장치 몸체(105)로 주입하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 수분이 제거된 불활성 가스는, 장치 몸체(105) 내부의 수분 함량을 감소시킬 수 있다. 상기 수분은 상기 코팅층과 전극 기재(81) 사이의 접착력을 저하시킬 수 있는데, 상기 불활성 가스에 의해 상기 수분이 제거됨으로써, 접착력이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 장치는, 한 쌍의 코팅 롤을 구비하는 롤 코팅 파트를 포함할 수 있다. 상기 롤 코팅 파트는 상기 한 쌍의 코팅 롤을 이용하여 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 코팅재를 코팅 필름으로 성형하고, 상기 성형된 코팅 필름을 상기 전극 기재의 일 면에 부착시킴으로써, 상기 전극 기재 상에 코팅층을 형성할 수 있다. 또한, 전지의 전극 제조 장치는 상기 코팅층을 건조시켜 용매를 제거하는 건조 파트와, 상기 건조된 코팅층의 밀도를 증가시키는 칼렌다링 파트를 더 포함할 수 있다. 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전지의 전극 제조 장치는, 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 코팅재를 이용하여 전지 전극을 효과적으로 제조할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 출원의 기술적 사상을 보다 구체적으로 설명하기 위한 실시예들을 제시한다.
실시예
1. 코팅재의 제조
전극 활물질, 도전성 카본 및 바인더를 포함하는 고형분을 준비한다. 상기 전극 활물질은 NCM111(Unicore 사 제품) 이며, 상기 도전성 카본은 케천블랙이며, 상기 바인더는 PVDF 일 수 있다. 상기 고형분은 NCM111 95.5 wt%, 케천블랙 2 wt%, 및 PVDF 2.5 wt% 을 포함할 수 있다. 또한, 용매로서 NMP를 준비한다.
이어서, PVDF의 질량 대비 NMP의 질량의 비(즉, NMP 질량/PVDF 질량의 비)가 각각 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6을 가지도록, 상기 성분의 PVDF와 상기 NMP를 교반하여 7종의 제1 혼합 분체를 제조하였다. 이어서, 상기 7종의 제1 혼합 분체에 상술한 성분의 NMC 111, 및 케천블랙을 혼합 및 교반하여, 7종의 제2 혼합 분체를 제조하였다.
2. 코팅재의 성형성 평가
상기 7종의 제2 혼합 분체를 코팅재로 하여, 한 쌍의 코팅 롤 사이에 투입하여, 코팅 필름을 제조하였다. 상기 한 쌍의 코팅 롤은 일 예로서, 도 5의 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 일 수 있다. 상기 한 쌍의 코팅 롤은 크롬 도금한 강철 롤이며, 직경 120mm, 및 길이 300mm를 가질 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 코팅 롤은 유도 가열됨으로서 100℃ 내지 200℃의 온도를 유지할 수 있다. 상기 한 쌍의 코팅 롤 사이의 간격을 각각 50 μm 및 100 μm로 설정한 후에, 성형성 평가를 진행하였다.
상기 7종의 제2 혼합 분체에 대한 성형성 평가 결과, PVDF의 질량 대비 NMP의 질량의 비가 1 미만인 경우에는 성형성이 양호하지 않고 연속적인 필름을 얻을 수 없었다. PVDF의 질량 대비 NMP의 질량의 비가 6 이상인 경우, 성형시에 상기 코팅재가 상기 한 쌍의 코팅 롤에 부착되어 상기 코팅재를 성형하는 작업성이 좋지 않았다. PVDF의 질량 대비 NMP의 질량의 비가 1, 2, 3, 4, 및 5 인 경우, 연속적인 필름을 형성할 수 있었다.
3. 한 쌍의 코팅 롤의 회전 속도 비에 따른 코팅 필름의 두께 변화
상기 7종의 코팅재 중에서 PVDF의 질량 대비 NMP의 질량의 비가 3인 시료를 준비하였다. 일 예로서, 한 쌍의 코팅 롤로서, 도 5의 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)을 준비하고, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 사이의 간격을 100 μm로 조절하였다. 제4 코팅 롤(R14)의 회전 속도를 5 rpm으로 고정한 후에, 제4 코팅 롤(R14)의 회전 속도 대비 제3 코팅 롤(R13)의 회전 속도를 변화시키면서 제조되는 코팅 필름의 두께를 관찰하였다. 이때, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)의 온도는 각각 100℃, 150℃, 180℃로 유지하였다.
도 7를 참조하면, 상기 실험의 결과로서, 한 쌍의 코팅 롤의 온도가 각각 100℃, 150℃, 180℃일 때, 제조된 코팅 필름의 두께를 나타내는 제1 내지 제3 그래프(701, 702, 703)가 도시된다.
제1 내지 제3 그래프(701, 702, 703)를 비교하면, 한 쌍의 코팅 롤의 온도가 증가할수록 코팅 필름의 두께가 감소할 수 있다. 한 쌍의 코팅 롤의 온도가 증가할수록, 200 μm 이하의 범위에서 코팅 필름의 두께를 효과적으로 제어할 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 그래프(701, 702, 703) 각각에 있어서, 제4 코팅 롤(R14)의 회전 속도 대비 제3 코팅 롤(R13)의 회전 속도가 증가할수록 두께가 감소하였다. 즉, 제3 코팅 롤(R13)의 회전 속도가 증가할수록, 200 μm 이하의 범위에서 코팅 필름의 두께를 효과적으로 제어할 수 있다. 이와 같이, 제4 코팅 롤(R14)의 회전 속도를 고정하고, 제3 코팅 롤(R13)의 회전 속도를 변화시킴으로써, 코팅 필름의 두께를 효과적으로 제어할 수 있었다.
4. 전체 롤 회전 속도의 변화에 따르는 코팅 필름의 두께 변화
상기 7종의 코팅재 중에서 PVDF의 질량 대비 NMP의 질량의 비가 3인 시료를 준비한다. 일 예로서, 한 쌍의 코팅 롤로서, 도 5의 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)을 준비하고, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14) 사이의 간격을 50 μm로 조절하였다. 이때, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)의 온도는 180℃로 유지하였다.
제4 코팅 롤(R14)의 회전 속도 대비 제3 코팅 롤(R13)의 회전 속도의 비를 2로 고정한 상태로, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)의 회전 속도를 동시에 증가시켰다.
도 8을 참조하면, 상기 실험의 결과로서, 전체 롤 회전 속도에 따르는 코팅 필름의 두께를 나타내는 그래프(801)가 도시된다. 그래프(801)을 참조하면, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)의 회전 속도를 동시에 증가시킬수록 코팅 필름의 두께가 감소하였다. 제4 코팅 롤(R14)의 회전 속도 대비 제3 코팅 롤(R13)의 회전 속도의 비를 고정한 상태에서, 제3 및 제4 코팅 롤(R13, R14)의 회전 속도를 동시에 증가시킬수록, 200 μm 이하의 범위에서 코팅 필름의 두께를 효과적으로 제어할 수 있다.
4. 알루미늄 전극 기재 상에 코팅층 형성
상기 7종의 코팅재 중에서 PVDF의 질량 대비 NMP의 질량의 비가 3인 시료를 준비한다. 도 5에서, 제1 내지 제4 코팅 롤(R11, R12, R13, R14)를 구비하는 코팅 파트(110)를 이용하여, 20 μm의 두께를 가지는 알루미늄 전극 기재의 양면 상에 110 μm의 두께를 코팅층을 형성하였다.
도 9의 (A) 및 (B)는 각각 코팅재 및 코팅층을 나타내는 전자 현미경 사진이다. 도 9의 (A)를 참조하면, 상기 코팅재를 나타내는 전자 현미경 사진이다. 상기 코팅재가 PVDF 바인더에 의해 펠렛 형태를 가지고 있음을 나타낸다. 수 μm 사이즈를 가지는 양극 활물질 결정들이 균질하게 분포하고 있음을 관찰할 수 있다. 수 십 nm 크기의 케천 블랙 입자들은 덩어리의 형태로 분포하지 않고, 균질 혼합된 상태를 상태로 분포하고 있음을 관찰할 수 있다. 도 9의 (B)를 참조하면, 상기 알루미늄 전극 기재 상에 입자들이 균질하게 분포한 코팅층이 형성되었음을 관찰할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시 예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 전지의 전극 제조 장치,
81: 전극 기재, 82: 제1 중간 전극, 83: 제2 중간 전극, 84: 전지 전극,
105: 장치 몸체, 105a: 용매 수집 파트,
110: 롤 코팅 파트, 120: 건조 파트, 130: 칼렌다링 파트,
210: 기재 공급 파트, 220: 전극 수용 파트,
300: 코팅재 제조 파트, 400: 코팅재 공급 파트,
500: 냉각수 공급 파트, 501: 냉각수 순환 장치,
600: 가스 공급 파트, 701~705: 제1 내지 제5 배관.
81: 전극 기재, 82: 제1 중간 전극, 83: 제2 중간 전극, 84: 전지 전극,
105: 장치 몸체, 105a: 용매 수집 파트,
110: 롤 코팅 파트, 120: 건조 파트, 130: 칼렌다링 파트,
210: 기재 공급 파트, 220: 전극 수용 파트,
300: 코팅재 제조 파트, 400: 코팅재 공급 파트,
500: 냉각수 공급 파트, 501: 냉각수 순환 장치,
600: 가스 공급 파트, 701~705: 제1 내지 제5 배관.
Claims (20)
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- 한 쌍의 코팅 롤을 구비하는 롤 코팅 파트를 내부에 수용하는 장치 몸체;
상기 장치 몸체의 외부에 배치되고, 상기 롤 코팅 파트에 전극 기재를 공급하는 기재 공급 파트;
상기 장치 몸체의 외부에 배치되고, 상기 롤 코팅 파트에 젖은 분체의 형태를 가지는 코팅재를 공급하는 코팅재 공급 파트;
상기 장치 몸체의 내부에서, 상기 전극 기재의 이동 방향을 따라, 상기 롤 코팅 파트로부터 상부 방향으로 순차적으로 배치되는 건조 파트 및 칼렌다링 파트;
상기 장치 몸체의 내벽부 또는 외벽부에 배치되어 순환하는 냉각수를 이용하여 상기 장치 몸체를 냉각시키는 냉각수 순환 장치; 및
상기 장치 몸체의 하부에 배치되고, 상기 코팅재로부터 증발된 후에 상기 냉각된 장치 몸체의 내벽에서 응결된 후에 상기 장치 몸체의 내벽을 타고 상기 하부로 이동하는 용매를 수용하는 용매 수집 파트를 포함하고,
상기 롤 코팅 파트는 상기 한 쌍의 코팅 롤을 이용하여 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 상기 코팅재를 코팅 필름으로 성형하고, 상기 성형된 코팅 필름을 상기 전극 기재 상에 부착시키도록 구성되고,
상기 장치 몸체는 밀폐 또는 반밀폐의 구조이며,
상기 밀폐 또는 반밀폐 구조의 상기 장치 몸체 내부로 불활성 가스를 주입하여 상기 장치 몸체의 내부 압력을 상기 장치 몸체의 외부 압력보다 높게 유지시키는 가스 공급 파트를 더 포함하는
전지의 전극 제조 장치.
- 삭제
- 제13 항에 있어서,
상기 한 쌍의 코팅 롤은 서로 다른 회전 속도를 가지고 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성되며,
상기 젖은 분체의 형태를 가지는 상기 코팅재는 상기 한 쌍의 코팅 롤 사이를 통과하면서 상기 코팅 필름으로 성형되는
전지의 전극 제조 장치.
- 제15 항에 있어서,
상기 성형된 코팅 필름은 상기 한 쌍의 코팅 롤 중 회전 속도가 큰 코팅 롤 상에 부착되며,
상기 성형된 코팅 필름이 부착된 상기 코팅 롤은 상기 전극 기재로 상기 성형된 코팅 필름을 전이시키는
전지의 전극 제조 장치.
- 제13 항에 있어서,
상기 장치 몸체의 외부에 배치되어, 바인더, 전극 활물질, 도전성 카본 및 용매를 혼합하여 상기 젖은 분체의 형태를 가지는 상기 코팅재를 제조하는 코팅재 제조 파트를 더 포함하는
전지의 전극 제조 장치.
- 제17 항에 있어서,
상기 용매 수집 파트는 용매 배출구를 통해 상기 수집된 용매를 상기 코팅재 제조 파트에 제공하는
전지의 전극 제조 장치.
- 삭제
- 제13 항에 있어서,
상기 장치 몸체의 외부에 배치되어 상기 냉각수 순환 장치에 냉각수를 제공하는 냉각수 공급 파트를 더 포함하는
전지의 전극 제조 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230052744A KR102624435B1 (ko) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 전지의 전극 제조 방법 및 전지의 전극 제조 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020230052744A KR102624435B1 (ko) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 전지의 전극 제조 방법 및 전지의 전극 제조 장치 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102624435B1 true KR102624435B1 (ko) | 2024-01-16 |
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ID=89719355
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230052744A KR102624435B1 (ko) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 전지의 전극 제조 방법 및 전지의 전극 제조 장치 |
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| KR (1) | KR102624435B1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2023
- 2023-04-21 KR KR1020230052744A patent/KR102624435B1/ko active IP Right Grant
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