KR20120020222A - 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치 및 이를 이용한 전극 제조 방법 - Google Patents

에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치 및 이를 이용한 전극 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 도핑 장치는 전극판에 리튬 이온을 도핑(doping)시키는 공정이 수행되는 도핑 공간을 제공하는 도핑 챔버 몸체 및 도핑 챔버 몸체 내에 구비되며 리튬(lithium)을 함유한 복수의 도핑 롤러들(doping rollers)을 포함하되, 도핑 롤러들은 도핑 챔버 몸체 내에서 상기 전극판을 감아 이송시킨다.

Description

에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치 및 이를 이용한 전극 제조 방법{DOPING APPARATUS FOR MANUFACTURING ELECTRODE OF ENEGY STORAGE DEVICE, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE ELECTRODE WITH THE SAME}
본 발명은 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치 및 이를 이용한 전극 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 이온 캐패시터(Lithium Ion Capacitor:LIC)의 음극 제조를 위해, 음극 제조용 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 도핑 장치 및 이를 이용하여 리튬 이온 캐패시터의 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장 장치들 중 울트라 캐패시터 또는 슈퍼 캐패시터라 불리는 디바이스는 빠른 충방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼 캐패시터는 전극 구조체(electrode structure), 분리막(seperator), 그리고 전해액(eletrolyte solution) 등으로 구성된다. 상기 슈퍼 캐피시터는 상기 전극 구조체에 전력을 가해, 전해액 내 캐리어 이온들을 선택적으로 상기 전극에 흡착시키는 전기 화학적 반응 메카니즘을 원리로 하여 구동된다.
현재, 대표적인 슈퍼 캐패시터로서, 리튬 이온 캐패시터(Lithium Ion Capacitor:LIC)가 있다. 일반적인 리튬 이온 캐패시터는 활성탄소로 이루어진 양극(positive electrode)과 다양한 종류의 카본 재료(예컨대, 그라파이트(graphite), 소프트 카본(soft carbon) 및 하드 카본(hard carbon) 등으로 이루어진 음극(negative electrode)을 구비한 전극 구조체를 갖는다. 이와 같은 리튬 이온 캐패시터의 제조 공정은 양극, 분리막 및 음극을 차례로 반복 적층하여 전극 구조물을 형성하는 전극 제조 공정, 상기 전극 구조물에 플러스 및 마이너스 단자들을 용접시키는 단자 용접 공정, 그리고 상기 음극에 리튬 이온(Li+)을 사전에 도핑시키는 리튬 이온 도핑 공정(lithium ion doping process) 등을 포함한다.
종래의 대표적인 리튬 도핑 공정은 전해액이 채워지는 도핑 베스를 준비하고, 상기 도핑 베스 내에 상기 전극 구조체 및 상기 전극 구조체에 대향되도록 배치된 리튬 함유 도핑판을 배치시킨다. 그리고, 양극과 음극에 전압을 인가하는 충전 공정과 양극과 리튬 금속판에 전압을 인가하는 방전 공정을 수차례 반복 수행하여, 상기 도핑판 내 리튬 이온을 상기 음극에 도핑시킨다. 그러나, 상기와 같은 리튬 도핑 공정은 음극 전반에 고르게 리튬 이온이 도핑되기 까지, 대략 10일 이상의 기간이 소요된다. 이와 같은 긴 리튬 도핑 공정은 일반적인 리튬 이온 캐패시터의 생산 효율을 저하시키는 주요 요인이 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 리튬 이온 캐패시터의 전극에 효과적으로 리튬 이온을 도핑시키는 도핑 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 리튬 이온 캐패시터의 전극에 리튬 이온을 도핑시키는 도핑 공정 시간을 단축시키는 리튬 도핑 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 장치용 도핑 장치는 전극판에 리튬 이온을 도핑(doping)시키는 공정이 수행되는 도핑 공간을 제공하는 도핑 챔버 몸체 및 상기 도핑 챔버 몸체 내에 구비되며, 리튬(lithium)을 함유한 복수의 도핑 롤러들(doping rollers)을 포함하되, 상기 도핑 롤러들은 상기 도핑 챔버 몸체 내에서 상기 전극판을 감아 이송시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 도핑 롤러들은 상기 도핑판의 일면에 접촉되는 제1 도핑 롤러들 및 상기 도핑판의 타면에 접촉되는 제2 도핑 롤러들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 도핑 롤러들을 이동시키는 구동기를 더 포함하되, 상기 구동기는 상기 제1 도핑 롤러들을 상기 전극판을 향해 제1 방향으로 이동시키고, 상기 제2 도핑 롤러들을 상기 전극판을 향해 상기 제1 방향의 반대방향으로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 도핑 롤러들은 상기 도핑 챔버 몸체를 가로지르는 일직선을 기준으로 양측에 배치되되, 상기 일직선의 일측에 배치되는 상기 도핑 롤러들은 상기 일전선을 기준으로 상기 일직선의 타측에 배치되는 상기 도핑 롤러들과 지그재그 구조(zigzag structure)를 갖도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극판을 이송시키는 전극판 이송기를 더 포함하되, 상기 전극판 이송기는 상기 리튬 도핑 공정 이전의 상기 전극판을 감아 대기(stand-by)시키는 제1 롤러, 상기 리튬 도핑 공정이 수행되어 상기 도핑 챔버 몸체로부터 반출되는 상기 전극판을 감아서 회수시키는 제2 롤러, 그리고 상기 제1 롤러로부터 풀리는 상기 전극판을 상기 도핑 롤러들로 안내한 후, 상기 도핑 롤러들에 의해 이송된 상기 전극판을 상기 제2 롤러로 회수시키는 제3 롤러들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전해액의 온도가 20℃ 내지 70℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 전해액을 가열시키는 가열기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 도핑 챔버는 상기 내부 공간을 채우는 더 전해액을 포함하되, 상기 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4, LiN, CF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)2, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF5(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi, 그리고 (CF2)3(SO2)2NLi 중 적어도 어느 하나의 리튬계 전해질염을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극판을 건조시키는 건조 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 건조 챔버는 건조 챔버 몸체, 상기 건조 챔버 몸체 내부에 지그재그 구조(zigzag structure)를 갖도록 배치된 제4 롤러들, 그리고 상기 제4 롤러들에 의해 이동되는 상기 전극판을 가열시키는 가열기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 제조 방법은 전극판을 대기(stand-by)시키는 단계, 리튬 이온을 함유한 도핑 롤러들을 이용하여, 상기 전극판을 이송함과 더불어 상기 전극판에 리튬 이온을 도핑(doping)시키는 단계, 그리고 상기 전극판을 회수시키는 단계를 포함하되, 상기 전극판을 대기시키는 단계, 상기 전극판에 리튬이온을 도핑시키는 단계, 그리고 상기 전극판을 회수시키는 단계는 인-시츄(in-situ)로 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극판을 대기시키는 단계는 상기 리튬 도핑 공정이 수행되기 이전의 상기 전극판이 감겨진 제1 롤러를 준비하는 단계를 포함하고, 상기 전극판을 회수시키는 단계는 상기 리튬 도핑 공정이 수행된 이후의 상기 전극판을 제2 롤러에 감아 회수시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는 전해액이 채워진 도핑 챔버 몸체를 준비하는 단계, 상기 도핑 챔버 몸체 내에 상기 도핑 롤러들을 배치시키는 단계, 그리고 상기 전극판에 상기 도핑 롤러들을 접촉시킨 상태에서 상기 도핑 롤러들을 회전시켜, 상기 전극판을 이송시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는 상기 전극판의 일면에 접촉하는 제1 도핑 롤러들을 준비하는 단계, 상기 전극판의 타면에 접촉하는 제2 도핑 롤러들을 준비하는 단계, 그리고 상기 전극판의 일면 및 타면을 상기 제1 도핑 롤러들 및 상기 제2 도핑 롤러들에 교대로 반복 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는 상기 전극판의 일면에 대해 리튬 이온을 도핑시키는 단계 및 상기 전극판의 타면에 대해 리튬 이온을 도핑시키는 단계를 포함하되, 상기 전극판의 일면에 대해 리튬 이온을 도핑시키는 단계와 상기 전극판의 타면에 대해 리튬 이온을 도핑시키는 단계는 교대로 반복되어 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는 상기 전해액의 온도가 20℃ 내지 70℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 전해액을 가열시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4, LiN, CF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)2, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF5(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi, 그리고 (CF2)3(SO2)2NLi 중 적어도 어느 하나의 리튬계 전해질염을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 리튬 도핑 공정이 수행된 이후의 상기 전극판을 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극판에 상기 도핑 롤러들을 밀착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치는 도핑판들이 적층된 내부 공간을 갖는 도핑 챔버, 상기 도핑판 사이의 틈새들을 차례로 경유하도록 상기 전극판을 이동시키는 전극판 이송기를 구비하되, 상기 도핑 챔버 및 상기 전극판 이송기는 상기 전극판이 상기 틈새들을 이동하는 상기 전극판의 이동 거리 및 도핑 시간을 최대화할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 리튬 도핑 장치는 단위 면적 당 상기 전극판과 상기 도핑판들 간의 도핑 구간을 증가시켜, 리튬 도핑 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 도핑 장치는 도핑 전 전극판의 대기(stand-by) 공정, 도핑 공정, 건조 공정, 그리고 회수 공정을 연속적으로 자동 처리할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 리튬 도핑 장치는 리튬 도핑 공정을 인-라인(in-line) 자동화시켜, 상기 리튬 도핑 공정 효율을 향상시킴과 더불어, 상기 리튬 도핑 공정의 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 제조 방법은 전극판 대기 공정, 리튬 이온 도핑 공정, 전극판 건조 공정, 그리고 전극판 회수 공정을 하나의 도핑 장치에서 인-라인 방식으로 자동화하여 처리하여 수행함으로써, 에너지 저장 장치의 전극 제조 공정 시간을 단축하고, 생산량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 도핑 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도핑 장치를 이용한 전극 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 제조 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 도핑 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 도핑 장치를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 도핑 장치(100)는 도핑 챔버(110), 전극판 이송기(120), 건조 챔버(130), 그리고 초음파 제공기(140)를 포함할 수 있다.
상기 도핑 챔버(110)는 전극판(10)에 대해 리튬 이온(Li+)을 도핑(doping)시키는 리튬 도핑 공정(lithium pre-doping process)이 수행되는 공정 공간을 제공할 수 있다. 여기서, 상기 전극판(10)은 소위 울트라 캐패시터 또는 슈퍼 캐패시터라 불리는 에너지 저장 장치의 전극을 제조하기 위한 금속판일 수 있다. 일 예로서, 상기 전극판(10)은 리튬 이온 캐패시터(Lithium Ion Capacitor:LIC)의 음극(negative electrode) 제조용 금속판일 수 있다.
상기 도핑 챔버(110)는 도핑 챔버 몸체(112), 도핑 롤러(116), 온도 조절기(118), 그리고 전해액 순환기(119)를 포함할 수 있다.
상기 도핑 챔버 몸체(112)는 상기 전극판(10)에 리튬 이온을 도핑시키는 공정을 수행하는 내부 공간을 가질 수 있다. 상기 도핑 챔버 몸체(112)는 상기 도핑 장치(100)의 구성들을 지지하기 위한 지지체로 사용될 수 있다. 상기 도핑 챔버 몸체(112)에는 상기 전극판(10)이 출입하기 위한 개구들(미도시됨)이 형성될 수 있다.
상기 도핑 챔버 몸체(112)의 상기 내부 공간에는 소정의 전해액(114)이 채워질 수 있다. 상기 전해액(114)은 소정의 용매에 리튬 이온(Li+)을 포함하는 전해질염을 용해시켜 제조된 조성물일 수 있다. 상기 전해질염으로는 리튬계 전해질염이 사용될 수 있다. 상기 리튬계 전해질염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4, LiN, CF3SO3, 그리고 LiC 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는, 상기 리튬계 전해질염은 LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)2, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF5(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi, 그리고 (CF2)3(SO2)2NLi 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기와 같은 전해액(114)은 상기 도핑판(114)으로부터 상기 전극판(10)으로 상기 리튬 이온을 이동시키는 매개체로 사용될 수 있다.
상기 도핑 롤러(116)는 상기 전극판(10)에 리튬 이온을 도핑시키기 위한 롤러일 수 있다. 이를 위해, 상기 도핑 롤러(116)는 리튬 이온을 함유하는 롤러(roller)일 수 있다. 일 예로서, 상기 도핑 롤러(116)는 그 자체가 리튬으로 이루어지는 롤러일 수 있다. 다른 예로서, 상기 도핑 롤러(116)는 표면에 리튬을 함유한 소정의 플레이트 또는 필름, 또한 막이 코팅된 롤러일 수 있다. 상기 도핑 롤러(116)는 복수개가 배치될 수 있다. 상기 도핑 롤러(116)가 복수개가 구비되는 경우, 상기 도핑 롤러들(116)은 상기 도핑 챔버 몸체(112) 내부에서 상기 전극판(10)에 직접 접촉됨과 더불어, 상기 전극판(10)의 이동을 안내하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 도핑 롤러들(116)은 상기 전극판(10)의 일면과 접촉되는 제1 도핑 롤러(116a) 및 상기 전극판(10)의 타면과 접촉되는 제2 도핑 롤러(116b)를 가질 수 있다. 상기 제1 도핑 롤러(116a)과 상기 제2 도핑 롤러(116b)는 상기 전극판(10)의 이동 경로를 따라 교대로 배치되도록 구성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 제1 도핑 롤러(116a)와 상기 제2 도핑 롤러(116b)는 대체로 지그재그 구조(zigzag structure) 구조를 이루도록, 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극판(10)은 상기 제1 도핑 롤러(116a)에 의해 그 일면에 대한 리튬 이온의 도핑 공정이 수행되고, 상기 제2 도핑 롤러(116b)에 의해 그 타면에 대한 리튬 이온의 도핑 공정이 수행도리 수 있다. 이때, 상기 전극판(10)의 일면에 대한 도핑 공정과 상기 전극판(10)의 타면에 대한 도핑 공정은 교대로 반복되어 수행될 수 있다.
또한, 상기 도핑 롤러들(116)은 상기 전극판(10)이 상기 도핑 롤러들(116)에 밀착되면서 상기 도핑 챔버(110) 내부를 이동하도록, 상기 전극판(10)을 이송시킬 수 있다. 즉, 상기 도핑 롤러들(116)은 상기 전극판(10)이 상기 도핑 롤러들(116)에 일정한 압력으로 가압되면서 상기 도핑 챔버(110)를 이동하도록, 상기 전극판(10)을 이송시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 도핑 롤러들(116)은 상기 전극판(10)이 팽팽해지도록, 상기 전극판(10)을 가압시킬 수 있다. 일 예로서, 상기 도핑 롤러들(116)은 상기 리튬 도핑 공정시, 상기 제1 도핑 롤러(116a)와 상기 제2 도핑 롤러(116b) 각각이 서로 상이한 방향으로 상기 전극판(10)을 밀어내도록 이동될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 도핑 롤러(116a)는 제1 방향(a)으로 이동되도록 구성되고, 상기 제2 도핑 롤러(116b)는 상기 제1 방향(a)과 반대되는 제2 방향(b)으로 이동되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 도핑 장치(100)는 상기 도핑 롤러들(116) 각각을 상기 제1 방향(a) 또는 상기 제2 방향(b)으로 이동시키기 위한 소정의 구동기(미도시됨)를 구비할 수 있다. 다른 예로서, 상기 도핑 롤러들(116)은 상기와 같은 구동기의 구비 없이, 상기 전극판(10)이 상기 도핑 롤러들(116)에 의해 이송되는 동안, 상기 도핑 롤러들(116)에 가압이 이루어지도록 구성될 수 있다.
상기 온도 조절기(118)는 상기 도핑 챔버 몸체(112) 내 전해액(114)의 온도를 조절할 수 있다. 상기 온도 조절기(118)는 적어도 하나의 히터(heater)를 포함할 수 있다. 상기 온도 조절기(118)는 상기 전해액(114)의 온도가 대략 20℃ 내지 70℃의 온도 범위를 만족하도록, 상기 도핑 챔버(110)를 가열할 수 있다. 상기 온도 조절기(118)로는 적어도 하나의 히터(heater)가 사용될 수 있다. 상기 히터는 상기 도핑 챔버 몸체(112)의 다양한 위치에 구비될 수 있으며, 도 1에 도시된 것에 한정되지 않을 수 있다.
상기 전해액 순환기(119)는 상기 도핑 챔버 몸체(112) 내 전해액(114)을 순환시킬 수 있다. 상기 전해액 순환기(119)이 상기 전해액(114)을 순환시키는 방식은 다양한 방법이 사용될 수 있다. 일 예로서, 상기 전해액 순환기(119)는 상기 도핑 챔버 몸체(112)에 연결되어 상기 전해액(114)을 공급 및 배출시키도록 전해액 순환 라인 및 이에 연결된 펌프로 구성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 전해액 순환기(119)는 상기 도핑 챔버 몸체(112) 내에 구비된 교반기를 더 포함할 수 있다.
상기 전극판 이송기(120)는 상기 전극판(10)이 상기 도핑 챔버(110) 내부로 반입되어 상기 도핑 롤러(116)에 의해 리튬 이온의 도핑 처리가 수행된 후, 상기 도핑 챔버(110)로부터 반출되도록, 상기 전극판(10)을 이송시킬 수 있다. 이에 더하여, 상기 전극판 이송기(120)는 상기 도핑 처리된 상기 전극판(10)이 상기 건조 챔버(130)를 경유하도록, 상기 전극판(10)을 이송시킬 수 있다. 예컨대, 상기 전극판 이송기(120)는 복수의 롤러들(roller)을 포함하는 롤러 구조체(roller structure)를 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 전극판 이송기(120)는 제1 롤러(122), 제2 롤러(124), 그리고 제3 롤러(126)를 포함할 수 있다.
상기 제1 롤러(122)는 상기 도핑 공정이 수행되기 이전의 상기 전극판(10)을 대기(stand-by)시키는 롤러일 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 롤러(122)는 도핑 전 전극판(10)이 감겨진 상태로, 상기 도핑 장치(100)에 구비될 수 있다. 이에 반해, 상기 제2 롤러(124)는 상기 도핑 공정이 수행된 상기 전극판(10)을 회수하는 롤러일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 롤러(122)는 상기 전극판(10)이 풀리게 하는 롤러이고, 상기 제2 롤러(124)는 상기 제1 롤러(122)로부터 풀리는 상기 전극판(10)을 감아서 회수시키는 롤러일 수 있다.
상기 제3 롤러(126)는 상기 제1 롤러(122)로부터 풀리는 상기 전극판(10)이 상기 도핑 챔버(110) 내 상기 도핑 롤러들(116)과 접촉되어 도핑 처리된 후, 상기 제2 롤러(124)로 회수되도록, 상기 전극판(10)의 이동을 안내하는 롤러일 수 있다. 이에 더하여, 상기 제3 롤러(126)는 상기 도핑 챔버(110)로부터 반출된 상기 전극판(10)이 상기 건조 챔버(130)를 경유한 후, 상기 제2 롤러(124)로 회수되도록, 상기 전극판(10)의 이동을 안내할 수 있다.
상기 건조 챔버(130)는 상기 도핑 공정이 수행된 상기 전극판(10)을 건조시킬 수 있다. 예컨대, 상기 건조 챔버(130)는 건조 챔버 몸체(132), 제4 롤러(134), 그리고 가열기(136)를 포함할 수 있다. 상기 건조 챔버 몸체(132)는 상기 전극판(10)을 건조시키는 건조 공정을 수행하는 내부 공간을 가질 수 있다. 상기 제4 롤러(134)는 상기 건조 챔버 몸체(132) 내부에서 상기 건극판(10)의 이동 경로를 증가시키기 위해 제공될 수 있다. 이를 위해, 상기 제4 롤러(134)는 상기 건조 챔버 몸체(132) 내부에서 서로 상이한 높이에서 지그재그 구조를 이루도록 배치될 수 있다. 그리고, 상기 가열기(136)는 상기 건조 챔버 몸체(132) 내부에서 상기 롤러(134)에 의해 이동되는 상기 전극판(10)을 가열할 수 있다. 상기 가열기(136)로는 히터 또는 열풍기가 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 도핑 장치(100)는 리튬을 함유한 도핑 롤러들(116)이 구비된 도핑 챔버(110)를 구비하여, 상기 전극판(10)이 상기 도핑 롤러들(116)에 의해 상기 도핑 챔버(110) 내부를 이동하는 과정에서 상기 전극판(10)에 리튬 이온이 도핑되도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 리튬 도핑 장치는 상기 전극판(10)이 이송되는 과정에서 상기 도핑 롤러들(116)과 직접 접촉하여 리튬 도핑 공정이 수행되도록 하여, 리튬 도핑 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 도핑 장치(100)는 도핑 전 전극판(10)의 대기(stand-by), 도핑 공정, 건조 공정, 그리고 회수 공정을 연속적으로 자동 처리할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 리튬 도핑 장치는 리튬 도핑 공정을 인-라인(in-line) 자동화시켜, 상기 리튬 도핑 공정 효율을 향상시킴과 더불어, 상기 리튬 도핑 공정의 시간을 단축시킬 수 있다.
계속해서, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치를 이용한 전극 제조 공정에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 앞서 도 1을 참조하여 설명한 도핑 장치(100)에 대해 중복되는 내용은 생략하거나 간소화될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도핑 장치를 이용한 전극 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 제조 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 전극 제조 방법은 앞서 도 1을 참조하여 설명한 도핑 장치(100)를 이용하여, 전극판을 대기시키는 단계, 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계, 전극판을 건조시키는 단계, 그리고 전극판을 회수시키는 단계를 인-시츄(in-situ)로 연속 처리하여 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은 상술한 전극판 대기 공정, 리튬 이온 도핑 공정, 전극판 건조 공정, 그리고 전극판 회수 공정을 인-라인 방식으로 자동화하여 처리될 수 있다.
이하, 상기 전극판 대기 단계, 상기 리튬 이온 도핑 단계, 상기 전극판 건조 단계, 그리고 상기 전극판 회수 단계들 각각에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도핑 장치(100)에 전극판(10)을 대기(stand-by)시킬 수 있다(S110). 상기 전극판(10)을 대기시키는 단계는 포일(foil) 형태로 제작된 전극판(10)을 준비하는 단계, 상기 전극판(10)을 제1 롤러(122)에 감아 저장시키는 단계, 그리고 상기 전극판(10)이 감겨진 상기 제1 롤러(122)를 상기 도핑 장치(100)에 장착시키는 단계를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 전극판(10)에 리튬 이온을 도핑(doping)시킬 수 있다(S120). 상기 전극판(10)에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는 전해액(114)이 채워진 도핑 도핑 챔버 몸체(112)를 준비하는 단계, 상기 도핑 도핑 챔버 몸체(112) 내에 리튬 이온을 함유한 도핑 롤러들(116)의 적층 구조체를 배치시키는 단계, 그리고 상기 전극판(10)이 상기 전해액(114)에 침지된 상태에서 상기 도핑 롤러들(116)에 접촉되어 이송되면서, 상기 도핑 롤러들(116)에 의해 리튬 이온이 도핑시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 전극판(10)의 일면은 상기 도핑 롤러들(116)의 제1 도핑 롤러들(116a)과 접촉되고, 상기 전극판(10)의 타면은 상기 도핑 롤러들(116)의 제2 도핑 롤러들(116b)과 접촉될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극판(10)은 그 양면에 대해 교대로 리튬 이온이 도핑됨으로써, 상기 전극판(10)에 대한 도핑 공정 효율이 증가될 수 있다. 여기서, 상기 전극판(10)을 이송시키는 단계는 제1 내지 제3 롤러들(122, 124, 126)로 이루어진 롤러 구조체를 구동시켜 이루어질 수 있다.
한편, 상기 전극판(10)에 리튬 이온을 도핑시키는 과정에서, 상기 전해액(114)의 공정 온도는 대략 20℃ 내지 70℃의 온도 범위를 만족하도록 조절될 수 있다. 이를 위해, 상기 온도 조절기(118)는 상기 전해액(114)의 온도가 상기 공정 온도를 만족하도록, 상기 전해액(114)을 지속적으로 가열할 수 있다. 이에 더하여, 상기 전해액 순환기(119)는 상기 도핑 챔버 몸체(112) 내 전해액(114)을 순환시킬 수 있다.
또한, 상기 전극판(10)에 상기 리튬 이온을 도핑시키는 과정에서, 상기 도핑 롤러들(116)을 상기 전극판(10)에 밀착시키는 단계가 더 부가될 수 있다. 상기 전극판(10)에 상기 도핑 롤러들(116)을 밀착시킬수록, 상기 전극판(10)에 대한 리튬 이온의 도핑 효율이 증가될 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 도핑 롤러들(116a)은 제1 방향(a)으로 이동되고, 상기 제2 도핑 롤러들(116b)은 상기 제1 방향(a)과 대체로 반대되는 제2 방향(b)으로 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극판(10)이 상기 도핑 롤러들(116)에 가압되면서 리튬 이온의 도핑이 이루어질 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 전극판(10)을 건조시킬 수 있다(S130). 예컨대, 상기 리튬 이온을 도핑시킨 후, 상기 도핑 도핑 챔버 몸체(112)로부터 반출되는 상기 전극판(10)은 상기 전해액(114)에 의해 젖은(wetting) 상태일 수 있다. 이에 따라, 상기 전극판(10)에 잔류하는 상기 전해액(114)을 제거시키는 공정이 수행될 수 있다. 이를 위해, 상기 전극판(10)을 건조시키는 단계는 상기 전극판(10)을 소정의 히터(heater)로 가열하거나, 열풍기로 열풍을 가하여 이루어질 수 있다.
그리고, 리튬 도핑 공정이 수행된 전극판(10)을 회수시킬 수 있다(S140). 상기 전극판(10)을 회수시키는 공정은 상기 건조처리가 완료된 상기 전극판(10)을 제2 롤러(124)에 감아 저장시킬 수 있다. 여기서, 상기 제1 롤러(122)에 감겨진 상기 전극판(10)이 모두 상기 제2 롤러(124)로 감겨지면, 상기 제2 롤러(124)를 상기 도핑 장치(100)로부터 분리시켜, 전극 제조를 위한 후속 공정이 수행되는 장소로 이동시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전극 제조 방법은 전극판(10)을 대기시키는 단계, 상기 전극판(10)에 리튬 이온을 도핑시키는 단계, 상기 전극판(10)을 건조시키는 단계, 그리고 상기 전극판(10)을 회수시키는 단계를 인-시츄(in-situ)로 연속 처리하여 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은 전극판 대기 공정, 리튬 이온 도핑 공정, 전극판 건조 공정, 그리고 전극판 회수 공정을 하나의 도핑 장치(100)에서 인-라인 방식으로 자동화하여 처리하여 수행함으로써, 에너지 저장 장치의 전극 제조 공정 시간을 단축하고, 생산량을 향상시킬 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 리튬 도핑 장치
110 : 도핑 챔버
112 : 도핑 챔버 몸체
114 : 전해액
116 : 도핑 롤러
116a : 제1 도핑 롤러들
116b : 제2 도핑 롤러들
118 : 온도 조절기
119 : 전해액 순환기
120 : 전극판 이송기
122 : 제1 롤러
124 : 제2 롤러
126 : 제3 롤러
130 : 건조 챔버
132 : 건조 챔버 몸체
134 : 제4 롤러
136 : 가열기

Claims (18)

  1. 전극판에 리튬 이온을 도핑(doping)시키는 공정이 수행되는 도핑 공간을 제공하는 도핑 챔버 몸체; 및
    상기 도핑 챔버 몸체 내에 구비되며, 리튬(lithium)을 함유한 복수의 도핑 롤러들(doping rollers)을 포함하되,
    상기 도핑 롤러들은 상기 도핑 챔버 몸체 내에서 상기 전극판을 감아 이송시키는 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도핑 롤러들은:
    상기 도핑판의 일면에 접촉되는 제1 도핑 롤러들; 및
    상기 도핑판의 타면에 접촉되는 제2 도핑 롤러들을 포함하는 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도핑 롤러들을 이동시키는 구동기를 더 포함하되,
    상기 구동기는 상기 제1 도핑 롤러들을 상기 전극판을 향해 제1 방향으로 이동시키고, 상기 제2 도핑 롤러들을 상기 전극판을 향해 상기 제1 방향의 반대방향으로 이동시키는 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도핑 롤러들은 상기 도핑 챔버 몸체를 가로지르는 일직선을 기준으로 양측에 배치되되, 상기 일직선의 일측에 배치되는 상기 도핑 롤러들은 상기 일전선을 기준으로 상기 일직선의 타측에 배치되는 상기 도핑 롤러들과 지그재그 구조(zigzag structure)를 갖도록 배치되는 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극판을 이송시키는 전극판 이송기를 더 포함하되,
    상기 전극판 이송기는:
    상기 리튬 도핑 공정 이전의 상기 전극판을 감아 대기(stand-by)시키는 제1 롤러;
    상기 리튬 도핑 공정이 수행되어 상기 도핑 챔버 몸체로부터 반출되는 상기 전극판을 감아서 회수시키는 제2 롤러; 및
    상기 제1 롤러로부터 풀리는 상기 전극판을 상기 도핑 롤러들로 안내한 후, 상기 도핑 롤러들에 의해 이송된 상기 전극판을 상기 제2 롤러로 회수시키는 제3 롤러들을 포함하는 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해액의 온도가 20℃ 내지 70℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 전해액을 가열시키는 가열기를 더 포함하는 도핑 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도핑 챔버는 상기 내부 공간을 채우는 더 전해액을 포함하되,
    상기 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4, LiN, CF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)2, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF5(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi, 그리고 (CF2)3(SO2)2NLi 중 적어도 어느 하나의 리튬계 전해질염을 포함하는 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극판을 건조시키는 건조 챔버를 더 포함하는 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 건조 챔버는:
    건조 챔버 몸체;
    상기 건조 챔버 몸체 내부에 지그재그 구조(zigzag structure)를 갖도록 배치된 제4 롤러들; 및
    상기 제4 롤러들에 의해 이동되는 상기 전극판을 가열시키는 가열기를 포함하는 에너지 저장 장치의 전극 제조용 도핑 장치.
  10. 에너지 저장 장치의 전극을 제조하는 방법에 있어서,
    전극판을 대기(stand-by)시키는 단계;
    리튬 이온을 함유한 도핑 롤러들을 이용하여, 상기 전극판을 이송함과 더불어 상기 전극판에 리튬 이온을 도핑(doping)시키는 단계; 및
    상기 전극판을 회수시키는 단계를 포함하되,
    상기 전극판을 대기시키는 단계, 상기 전극판에 리튬이온을 도핑시키는 단계, 그리고 상기 전극판을 회수시키는 단계는 인-시츄(in-situ)로 수행되는 전극 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극판을 대기시키는 단계는 상기 리튬 도핑 공정이 수행되기 이전의 상기 전극판이 감겨진 제1 롤러를 준비하는 단계를 포함하고,
    상기 전극판을 회수시키는 단계는 상기 리튬 도핑 공정이 수행된 이후의 상기 전극판을 제2 롤러에 감아 회수시키는 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는:
    전해액이 채워진 도핑 챔버 몸체를 준비하는 단계;
    상기 도핑 챔버 몸체 내에 상기 도핑 롤러들을 배치시키는 단계; 및
    상기 전극판에 상기 도핑 롤러들을 접촉시킨 상태에서 상기 도핑 롤러들을 회전시켜, 상기 전극판을 이송시키는 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는:
    상기 전극판의 일면에 접촉하는 제1 도핑 롤러들을 준비하는 단계;
    상기 전극판의 타면에 접촉하는 제2 도핑 롤러들을 준비하는 단계; 및
    상기 전극판의 일면 및 타면을 상기 제1 도핑 롤러들 및 상기 제2 도핑 롤러들에 교대로 반복 접촉시키는 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는:
    상기 전극판의 일면에 대해 리튬 이온을 도핑시키는 단계; 및
    상기 전극판의 타면에 대해 리튬 이온을 도핑시키는 단계를 포함하되,
    상기 전극판의 일면에 대해 리튬 이온을 도핑시키는 단계와 상기 전극판의 타면에 대해 리튬 이온을 도핑시키는 단계는 교대로 반복되어 수행되는 전극 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극판에 리튬 이온을 도핑시키는 단계는 상기 전해액의 온도가 20℃ 내지 70℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 전해액을 가열시키는 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4, LiN, CF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)2, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF5(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi, 그리고 (CF2)3(SO2)2NLi 중 적어도 어느 하나의 리튬계 전해질염을 포함하는 전극 제조 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 리튬 도핑 공정이 수행된 이후의 상기 전극판을 건조시키는 단계를 더 포함하는 전극 제조 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극판에 상기 도핑 롤러들을 밀착시키는 단계를 더 포함하는 전극 제조 방법.
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