KR20110133161A - 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치 및 전극 제조 방법 - Google Patents

롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치 및 전극 제조 방법 Download PDF

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Abstract

롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치 및 전극 제조 방법이 제공된다. 본 전극 제조 장치는 전극물질을 주행시키는 권출롤 및 권취롤, 권출롤과 권취롤 사이에 배치되어 전극물질을 그 주면에 따라 주행시키고, 전극물질을 냉각시키는 냉각 유닛을 구비한 성막롤, 리튬원을 수용하며, 수용된 리튬원이 성막롤 상에 위치한 전극물질에 박막을 형성하도록 장착된 증발부를 포함한다. 이에 의해, 리튬을 진공 분위기에서 증착하여 공정이 단순해지며, 증착 속도와 증착의 균일성을 개선할 수 있다.

Description

롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치 및 전극 제조 방법{A DEVICE FOR FABRICATING ELECTRODE BY ROLL TO ROLL PROCESS AND A METHOD FOR FABRICATING ELECTRODE}
본 발명은 전극 제조 장치 및 전극 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 롤투롤 공정을 이용한 에너지 저장 장치의 전극 제조 장치 및 전극 제조 방법에 관한 것이다.
전기자동차(EV)나 엔진과 모터를 병용한 하이브리드차(HEV)가 개발되면서, 연비 개선을 위한 새로운 방법들은 에너지 용량과 출력을 만족시킬 수 있는 새로운 에너지 저장장치가 개발되었다. 특히 오늘날 전기자동차나 하이브리드 자동차용 에너지 저장장치로 언급되고 있는 것으로 2차 전지(Ni-MH battery, Li ion battery(LiB) 등)와 전기화학캐패시터(슈퍼캐패시터)가 있다.
LiB와 같은 2차 전지는 에너지 밀도가 높은 대표적인 에너지 저장장치이다. 그러나 2차 전지는 슈퍼캐패시터에 비해 출력 특성이 제한적이다. 이에 반해, 슈퍼캐패시터는 고출력 저장장치이지만, 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 낮은 한계를 갖고 있다. 이러한 각각의 단점을 극복하기 위해 리튬 프리 도핑(Li pre-doping) 기술이 고안되었다. 이미 리튬 이온 캐패시터(LiC; Li ion capacitor)라는 슈퍼캐패시터가 상용화되고 있으며, LiC는 기존의 전기 이중층 캐패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor) 타입의 슈퍼캐패시터의 에너지 밀도를 3-4배 향상시키고 있다.
LiC에서 가장 중요한 것은 바로 Li을 프리 도핑 하는 방법이다. Li 이온 프리 도핑으로의 리튬 이온의 도핑이 균일해져 캐패시터의 에너지 밀도가 향상되며, Li 프리 도핑으로 인하여 별도의 리튬 전극이 필요 없어지기 때문에 셀의 두께가 얇아져 소형화가 가능해진다. 또한 리튬 도핑 공정이 간단해지기 때문에 셀 양산성 및 가격 경쟁력이 향상된다.
본 발명의 목적은, 제조공정이 간소화되면서도 균일하게 리튬 이온을 전극 물질에 도핑하여 에너지 밀도의 큰 감소 없이 출력 특성이 향상된 2차 전지 또는 에너지 밀도 특성이 향상된 슈퍼캐퍼시터와 같은, 셀의 성능이 최적회된 에너지 저장 장치를 제조할 수 있는 전극 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 제조공정이 간소화되면서도 균일하게 리튬 이온을 전극 물질에 도핑하여 에너지 밀도의 큰 감소 없이 출력 특성이 향상된 2차 전지 또는 에너지 밀도 특성이 향상된 슈퍼캐퍼시터와 같은, 셀의 성능이 최적화된 에너지 저장 장치를 제조할 수 있는 전극 제조 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 전극 제조 장치는, 전극물질을 주행시키는 권출롤 및 권취롤; 상기 권출롤과 권취롤 사이에 배치되어 상기 전극물질을 그 주면에 따라 주행시키고, 상기 전극물질을 냉각시키는 냉각 유닛을 구비한 성막롤; 리튬원을 수용하며, 상기 수용된 리튬원이 상기 성막롤 상에 위치한 상기 전극물질에 리튬 박막을 형성하도록 장착된 증발부;를 포함한다.
그리고, 상기 권출롤, 성막롤, 권취롤은 원 와인딩 런(one winding run) 방식으로 구동되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 증발부로부터 상기 성막롤로 향하는 리튬원이 진공분위기에서 증착되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 증착된 리튬 박막의 두께를 측정하는 측정부; 및 상기 측정된 두께에 따라서 리튬 증착량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는, 상기 측정된 두께에 따라 상기 리튬 증착의 속도 및 상기 리튬 증착량 중 적어도 하나를 조절하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 냉각은 수냉 방식인 것이 바람직하다.
또한, 상기 권취롤의 다음에 배치되며, 상기 전극물질을 전해액에 침전하여 리튬 이온을 도핑하는 도핑 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 전극 제조 방법은, 권출롤에서 전극물질을 권출하면서 공급하는 단계; 상기 권출롤에서 공급된 전극물질을 상기 성막롤의 주면에 따라 주행시키면서 상기 전극물질 상에 리튬 박막을 형성하고, 냉각시키는 단계; 권취롤에 상기 전극물질을 권취하면서 수용하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 권출롤, 성막롤, 권취롤은 원 와인딩 런(one winding run) 방식으로 구동되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 증발부로부터 상기 성막롤로 향하는 리튬원을 진공분위기에서 증착시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 증착된 리튬 박막의 두께를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 두께에 따라서 리튬 증착량을 제어하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어하는 단계는, 상기 측정된 두께에 따라 상기 리튬 증착의 속도 및 상기 리튬 증착량 중 적어도 하나를 조절하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 리튬 박막이 형성된 전극물질을 수냉 방식 냉각하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극물질을 냉각한 후에, 상기 전극물질을 전해액에 침전하여 리튬 박막으로부터 리튬 이온을 전극물질에 도핑하는 도핑 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전극 제조 방법 및 전극 제조 장치에 따르면, 종래의 리튬 프리 도핑(Li pre-doping) 기술과 달리, 리튬을 진공 분위기에서 증착하여 공정이 단순해지며, 증착 속도와 증착의 균일성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 와인딩 타입 셀은, 리튬이 균일하게 원하는 정도로 도핑되어 있어, 셀 성능이 최적화 된다. 이로써 에너지 밀도의 큰 감소 없이 출력 특성이 향상된 2차 전지 또는 에너지 밀도 및 고출력 사이클 특성이 향상된 슈퍼캐퍼시터의 제조가 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 실시형태를 이용한 박막패턴 형성과정을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 전극 제조 장치는, 리튬 박막 형성장치(1)와 도핑 장치(2)로 구성된다.
본 실시형태에 따른 리튬 박막 형성 장치(1)는 진공챔버(10)와 그 내부에 장착된 전극물질(E)을 주행시키도록 구성된 권출롤(310) 및 권취롤(330), 상기 권출롤(310) 및 권취롤(330) 사이에 배치된 성막롤(320)을 포함한다.
상기 전극물질(E)은 상기 성막롤(320)의 주면을 따라 주행하며, 상기 성막롤(320)의 주면 상에 위치한 전극물질(E) 영역은 증착되는 부분이 된다. 상기 성막롤(320)은 그 내부에 냉각액이 흐르는 냉각 유닛을 구비할 수 있다.
상기 전극물질(E)은 전극물질(123) 그 자체로 성막롤(320)의 주면을 주행할 수 있고, 도전성 시트(121)에 전극물질(123)이 형성된 상태로 주행할 수도 있다.
상기 도전성 시트(121)는 활물질층(123)에 전기적 신호를 전달하고, 축적된 전하를 모아 외부로 보내는 역할을 하는 것으로, 도전성 폴리머, 스테인레스, 동 니켈 등으로 이루어질 수 있다.
상기 권출롤(310) 및 권취롤(330), 상기 권출롤(310) 및 권출롤(330) 사이에 배치된 성막롤(320)에 의하여 전극물질(E)을 롤투롤(roll to roll)방식으로 가공할 수 있다. '롤투롤 방식'이라 함은 필름형태의 물질을 회전롤에 그대로 감아 가공하는 방식으로서, 가공 시간, 인력 및 비용을 최대한 줄일 수 있는 방식이다.
따라서, 또 다른 리튬 박막 형성 장치(1)를 전극물질(E)의 리튬이 증착되지 않은 다른 면이 증착원(340)을 향하도록 대칭 배치하여, 다른 면에도 리튬이 증착되게 할 수 있다. 이러한 방식으로 전극물질의 양면에 리튬 증착이 가능해지므로, 기존의 방식보다 양산성 및 경제성이 향상된다.
또한, 상기 권출롤(310), 권취롤(330) 및 성막롤(320)은 원 와인딩 런(one winding run) 방식으로 구동된다. '원 와인딩 런 방식'이라 함은 필름형태의 물질에 복수개의 회전롤이 감긴 경우, 복수개의 회전롤 중 어느 하나가 구동됨으로써, 모든 회전롤이 같이 구동되는 방식이다. 본 발명에 따르면, 권취롤(330)이 구동됨으로써, 권출롤(310)과 성막롤(320)은 별도의 동력원이 없이 같이 구동될 수 있다.
상기 리튬 박막 형성 장치(1)은 상기 진공 챔버(10) 내에 리튬을 수용하는 리튬원(340)을 포함한다. 도 1에는 도시되지 않았으나, 전자빔과 같이 전극물질(E) 표면에 박막이 형성되도록 리튬을 증발시키는 수단을 포함할 수 있다. 원하는 증착영역을 제외하고 다른 전극물질(E) 상에 박막 증착을 방지하기 위해서 차단막(300)을 포함할 수 있다.
상기 권출롤(310) 및 권취롤(330)에 의해 전극물질(E)이 상기 성막롤(320)의 표면 상에 위치하면, 상기 리튬원(340)으로부터 상기 전극물질(E)로 향하는 증발된 리튬원(화살표시)이 진행될 수 있도록 셔터(370)를 개방하고, 증착이 완료된 후에 전극물질(E)를 이동시킬 때에는 증발된 리튬원이 상기 성막롤(320)을 향해 진행되지 않도록 셔터(370)을 폐쇄시킨다.
상기 리튬 박막 형성 장치(10)는 리튬 증착량을 측정하는 측정부(350)를 포함할 수 있다. 실질적으로 리튬 도핑을 위하여 필요한 양은 매우 작다. 따라서 리튬 증착량을 조절하기 위하여, 리튬 증착량을 측정하는 측정부(350) 및 측정된 증착량에 따라서 리튬 증착량을 조절하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 리튬 증착량을 조절하기 위하여, 리튬 증착 속도 및/또는 증착량을 조절할 수 있다. 예를 들면, 권취부의 회전시간 및/또는 열원의 온도 및/또는 셔터(370) 등을 조절함으로써 리튬 증착량을 조절할 수 있다.
박막 증착이 완료되면 상기 전극물질(E)을 주행시켜 다른 영역을 증착영역으로 위치시킨다. 이러한 주행을 위해서, 박막 증착 후에 상기 전극물질(E)에는 동력원에 의해 권취롤 방향으로 장력이 가해진다.
본 실시 형태에 따른 도핑 장치(2)는 전해액이 담긴 도핑 챔버(20)를 포함한다.
상기 리튬 박막 형성 장치(1)와 도핑 장치(2) 사이에는 전극물질을 절단하거나 스트라이핑하는 등의 공정을 포함할 수 있다.
상기 도핑 챔버(20)에 리튬 박막이 형성된 상기 전극물질(E)을 전해액에 침전시킴으로써, 상기 전극물질(E)에 리튬 이온을 도핑시킬 수 있다.
종래, 리튬 이온 캐패시터의 경우 리튬 이온 도핑을 위하여 전기도금법(electroplating)을 이용하였다. 전기도금법의 경우, 상기 전극 물질에 의해 제조된 제1 전극, 절연체인 세퍼레이터, 제2 전극이 적층된 단위셀과 리튬 전극을 함께 전해액에 침전시켰다. 그리고, 일정 전력을 인가함으로써 리튬 이온을 전극물질(E)에 도핑하였다.
그러나 본 발명에 따르면, 제2 전극, 세퍼레이터 및 리튬 전극을 함께 침전시킬 필요가 없다. 그리고, 리튬 박막층이 전극물질 상에 형성되어 있기 때문에, 리튬 이온은 전해액 속에서 확산에 의하여 매우 빠른 속도로 균일하게 전극물질(E)에 도핑된다. 즉, 전력을 인가하지 않아도, 전해액에 전극물질(E)을 침전시킴으로써, 리튬 이온의 도핑이 이루어진다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극 제조 과정을 개략적으로 나타내며, 도 1에 도시된 리튬 이온 형성 장치(10)에서 전극물질 주행, 리튬 박막 형성과정 및 리튬 이온 도핑 과정을 설명하기 위한 성막롤(320)의 증착영역을 상세히 나타내는 공정단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 성막롤(320) 표면에 있는 도전성 시트(121)에는 활물질층(123)이 형성되어 있다.
상기 활물질층(123)은 리튬 이온을 가역적으로 담지할 수 있는 물질을 사용할 수 있고, 이에 제한된 것은 아니다. 예를 들면 그래파이트, 하드 카본 코크스 등의 탄소재료, 폴리아센계 물질 등을 사용할 수 있다.
또한, 활물질층(123)은 도전성 재료를 혼합하여 극을 형성할 수 있고, 상기 도전성 재료는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 그래파이트, 금속 분말 등이 있다.
상기 활물질층(123)의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 10 내지 100 m로 형성될 수 있다.
상기 활물질층(123)은 도전성 시트(121)에 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이온 형성 장치(10)에서는 도전성 시트(121)에 활물질층(123)이 형성된 상태에서 권취롤(310)에 권취되어 제공된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상술된 상태에서 상기 전극물질(E) 상에 증착 공정을 실행하여 리튬 박막(140)을 형성한다. 이러한 증착 공정은 도 1에 도시된 셔터(370)를 개방함으로써 실행될 수 있다. 이러한 리튬 박막(140)은 본 발명에 따르면 진공증착법에 의해 형성된다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 리튬 이온은 전해액 속에서 확산(diffusion)에 의하여 전극물질(E)에 도핑된다. 별도의 전력을 인가할 필요가 없으며, 전해액에 침전시킴으로써 이루어질 수 있다.
상기 리튬 박막은 증착에 의하여 금속 박막(121) 걸쳐서 균일하게 도포되어 있기 때문에, 리튬 도핑은 전체 표면적에 걸쳐 균일하기 이루어질 수 있다. 리튬이 균일 하게 도핑되어 있기 때문에, 에너지 밀도, 고출력 사이클 특성, 수명 등이 향상된 슈퍼캐패시터를 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
본 발명에 일 실시예에 따르면, 전극물질(E)을 권출롤에서 귄출하여 공급한다(S410). 상기 전극물질(E)은 전극물질(123) 그 자체 일 수 있고, 도전성 시트(121)에 형성된 상태일 수 있다.
상기 권취롤에서 공급된 전극물질(E)을 상기 성막롤의 주면에 따라 주행시키면서 상기 전극물질 상에 리튬 박막을 형성하고, 냉각시킨다(S420). 상기 냉각은 수냉 방식으로 이루어질 수 있다. 또한, 리튬 박막은 진공증착법에 의하여 형성될 수 있고, 전극물질(E)에 거쳐서 가능한 균일하게 리튬 박막을 형성하도록 한다.
그리고, 권취롤에 상기 전극물질을 권취하면서 수용한다(S430). 권취롤에 동력원이 연결되어 권출롤과 성막롤의 회전 속도를 조절할 수 있으며, 권취롤의 회전 속도에 따라서 리튬 박막의 증착을 조절할 수 있다.
더 나아가, 상기 리튬 박막이 형성된 전극물질(E)을 별도의 전력을 인가할 필요가 없이 전해액에 침전시킴으로써, 리튬 이온을 도핑하여 에너지 저장 장치의 전극을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치는 리튬 이온 캐패시터로 상정하였으나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 다른 에너지 저장장치에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 전극물질을 주행시키는 권출롤 및 권취롤;
    상기 권출롤과 상기 권취롤 사이에 배치되어 상기 전극물질을 그 주면에 따라 주행시키고, 상기 전극물질을 냉각시키는 냉각 유닛을 구비한 성막롤; 및
    리튬원을 수용하며, 상기 수용된 리튬원이 상기 성막롤 상에 위치한 상기 전극물질에 리튬 박막을 형성하도록 장착된 증발부;
    를 포함하는 롤투롤(roll to roll) 공정을 이용한 전극 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 권출롤, 상기 성막롤 및 상기 권취롤은
    원 와인딩 런(one winding run) 방식으로 구동되는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 증발부로부터 상기 성막롤로 향하는 리튬원이 진공분위기에서 증착되는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증착된 리튬 박막의 두께를 측정하는 측정부; 및
    상기 측정된 두께에 따라서 리튬 증착량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 두께에 따라 상기 리튬 증착의 속도 및 상기 리튬 증착량 중 적어도 하나를 조절하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은,
    수냉 방식으로 냉각하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 권취롤의 다음에 배치되며, 상기 전극물질을 전해액에 침전하여 상기 리튬 박막으로부터 리튬 이온을 전극물질에 도핑하는 도핑 장치를 더 포함하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 장치.
  8. 권출롤에서 전극물질을 권출하면서 공급하는 단계;
    상기 권출롤에서 공급된 전극물질을 성막롤의 주면에 따라 주행시키면서 상기 전극물질 상에 리튬 박막을 형성하고, 냉각시키는 단계; 및
    권취롤에 상기 전극물질을 권취하면서 수용하는 단계;
    를 포함하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 권출롤, 상기 성막롤 및 상기 권취롤은
    원 와인딩 런(one winding run) 방식으로 구동되는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 증발부로부터 상기 성막롤로 향하는 리튬원을 진공분위기에서 증착시키는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 증착된 리튬 박막의 두께를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 두께에 따라서 리튬 증착량을 제어하는 단계를 더 포함하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 측정된 두께에 따라 상기 리튬 증착의 속도 및 상기 리튬 증착량 중 적어도 하나를 조절하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 리튬 박막이 형성된 전극물질을 수냉 방식 냉각하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 전극물질을 냉각한 후에, 상기 전극물질을 전해액에 침전하여 리튬 이온을 도핑하는 단계를 더 포함하는 롤투롤 공정을 이용한 전극 제조 방법.
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