KR20140075672A - 움직이는 표면의 간헐적인 코팅 - Google Patents

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안드레스 휴쓰
로버트 세크레르
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폭스바겐 바르타 마이크로바테리 포르슝스게젤샤프트 엠바하 운트 체오.카게
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Abstract

전기 화학적 활성 입자를 함유하는 페이스트로 움직이는 표면을 간헐적으로 코팅하기 위한 방법과 장치가 기술된다. 슬롯-모양의 전달 개구부를 가진 노즐이 사용되고, 페이스트는 이송 채널을 통하여 페이스트 저장부로부터 전달 개구부로 공급되고, 전달 개구부로의 페이스트 공급은 제어 수단에 의해 조절되며, 상기 제어 수단은 제1 스위칭 포지션에서 페이스트 공급부를 전달 개구부로 작동시키고, 제2 스위칭 포지션에서, 이송 채널을 차단하고, 전달 개구부까지 연장된 이송 채널의 섹션을 페이스트 공급부로부터 분리시킨다. 제어 수단이 제2 스위칭 포지션일 때, 감소된 압력은 페이스트 공급부로부터 분리된 이송 채널 섹션에 가해지고, 제어 수단은 제2 스위칭 포지션에서, 이송 채널의 분리된 부분을 감소된 압력 소스에 연결하도록 형성된다.

Description

움직이는 표면의 간헐적인 코팅{INTERMITTENT COATING OF MOVING SURFACES}
본 발명은 전기 화학적 활성 입자를 함유하는 페이스트로 움직이는 표면을 간헐적으로 코팅하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 슬롯-모양의 전달 개구부를 가진 노즐이 사용된다.
용어 "전지(battery)"는 본래 하우징(housing)에 직렬로(in series) 연결된 복수의 갈바닉 셀(galvanic cell)을 의미했었다. 하지만, 현재는 단일의 갈바닉 셀도 종종 전지로 지칭된다. 갈바닉 셀이 방전(discharge)될 때, 에너지를 공급하는 화학반응(energy-supplying chemical reaction)이 발생하는데, 이는 서로 전기적으로 결합되지만 공간적으로 서로 분리된 부반응(subreaction)으로 구성된다. 음극에서, 전자는 산화 과정에서 방출되어, 외부 저항(external load)을 통하여 양극으로가는 전자의 흐름을 야기하고, 이에 의해 해당 전자의 양이 수용된다. 그러므로 양극에서는, 환원 과정이 발생한다. 동시에, 전극 반응에 해당하는 이온의 흐름이 셀 내부에서 발생한다. 이 이온 흐름은 이온-전도성 전해질에 의해 구현된다. 2차 셀(secondary cell) 및 배터리에서, 이러한 방전 반응은 가역적이며, 따라서, 방전 동안 발생하는 화학 에너지는 전기 에너지로 변환이 가역적일 수 있다.
공지된 2차 셀과 배터리 중에서, 비교적 높은 에너지 밀도는 특히 리튬 이온 배터리에 의해 구현된다. 많은 경우에, 리튬 이온 배터리는 복수의 개개의 셀로 구성된 셀 스택(stack)을 포함한다. 감겨진 셀(코일)도 빈번히 사용된다. 리튬 이온 배터리 내의 셀은 흔히, 양극/세퍼레이터/음극 순서를 가진 전극 호일 및 세퍼레이터의 복합체이다. 종종, 이러한 개개의 셀은, 음극/세퍼레이터/양극/세퍼레이터/음극 또는 양극/세퍼레이터/음극/세퍼레이터/양극의 가능한 순서를 가진 소위 듀얼 셀로서 생산된다. 이 경우에 전극은, 종래에 따르면, 보통 평평한 구조의 형태인 금속 전류 콜렉터를 포함한다. 양극의 경우에, 일반적으로 이는, 가령, 펼쳐진 알루미늄 금속 또는 천공된 알루미늄 호일로 제조된 알루미늄의 메쉬 또는 시트와 관련된다. 한편, 음극에서는, 구리의 메쉬 또는 호일이 일반적으로 사용된다.
일반적으로, 리튬 이온 배터리에 대해 기술된 셀은 단계적인 방법에서 생성된다. 상기 언급된 전극 호일들이 제1 단계에서 생성되고, 그리고 나서, 이들은 하나 이상의 세퍼레이터 시트와 결합되어서 상기 언급된 전극/세퍼레이터 복합체를 형성하는 것은 종래에 있는 것이다. 전극과 세퍼레이터는 보통 라미네이션 단계에서 서로 본딩된다.
전극을 생성하기 위하여, 전기화학적으로 활성 입자를 함유하는 페이스트와 같은 물질의 평평한 레이어(간략히 "페이스트")가, 보통 적절한 콜렉터 상에 도포되고 이후에 건조된다. 페이스트는 콜렉터의 양면에 도포되는 것이 바람직하다. 생성 기술과 관련하여, 이것은, 준-무한한(quasi-endless) 스트립과 같은 콜렉터를 제공함에 의하여 보통 수행되는데, 상기 스트립은 이후에 코팅 유닛을 통과하는 하고, 콜렉터의 증착된 코팅물은, 통로의 방향으로 설정된 거리에서 방해되어 간헐적인 코팅에 의해 도포된다. 서로 맞게 코팅 유닛으로부터 벗어나는 콜렉터 스트립은 통로의 방향으로 코팅된 영역과 코팅되지 않은 영역을 순차로 가진다. 콜렉터 스트립은 이후에, 코팅되지 않은 영역의 스트립을 잘라내서 나누어질 수 있다.
페이스트는, 가령, 닥터 블레이드(doctor blade)로 콜렉터 상에 도포되는데, 높은 처리율을 가진 장치에 현저히 적절한 넓은-슬롯 노즐(슬롯-다이 노즐(slot-die nozzle))도 이를 위해 사용될 수도 있음에도 말이다. 넓은-슬롯 노즐은 페이트를 위한 슬롯-모양의 전달 개구부를 가지고, 이는 이송 채널을 통하여 페이스트 저장부로부터 공급되도록 한다. 간헐적인 코팅을 위하여, 전달 개구부의 방향으로의 페이스트 흐름은 정기적인 시간 간격으로 상기 흐름을 막는 제어 수단에 의해 조절된다. 특히, 페이스트가 높은 비율의 탄력을 가지는 경우에, 이 절차는 단점을 수반한다. 점성의 흐름 공정에 의하여, 슬롯-모양의 전달 개구부의 방향으로 페이스트 공급의 정지가 있은 후에, 이러한 페이스트가 탄력이 풀어지고(relax), 원하지 않는 두께를 가진 에지의 효과로서, 다음 코팅 간격에 드랍(drop)이 형성될 수 있다. 상기 드랍은 통과하는 콜렉터 스트립과도 접촉할 수 있어서, 스트립의 코팅되지 않은 부분을 오염시킬 수 있다.
미국 특허 제2004/0062866 A1호는 평평한 베이스 재료 상에 페인트가 불연속적으로 도포되는 수단을 가진 코팅 장치를 개시한다. 이 경우에 페이트는 저장부로부터 노즐 헤드부로 펌핑되고, 감소된 압력이 플런저(plunger) 시스템에 의해 가해지는 수집 용기(collection container)가 있다. 코팅이 정지될 때, 감소된 압력은 특히 상기 언급된 플런저 시스템에 의하여 수집 용기에 가해질 수 있다. 따라서, 의도치 않은 페이트 전달이 대응될 수 있다. 그러나, 미국 특허 제2004/0062866 A1호에서는 전극의 페이스트 공정에 대한 언급은 없다.
본 발명의 목적은, 코팅 공정 동안에 드랍 형성과 관련된 문제를 회피할 수 있도록, 전기 화학적 활성 입자를 함유하는 페이스트로 움직이는 표면을 간헐적으로 코팅하기 위한 장치와 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1의 특징을 가진 방법 및 청구항 4의 특징을 가진 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예는 청구항 2 및 3에 구체적으로 나타난다. 이로서, 모든 클레임의 표현은 본 설명의 내용에 참조로서 포함된다.
본 발명에 따른 방법은, 전기 화학적 활성 입자(또한, 아래에 전기화학적 활성 물질로도 언급됨)를 함유하는 페이스트로 움직이는 물체를 간헐적으로 코팅하기 위해 사용된다. 특히, 페이스트는 배터리 전극을 생성하기 위한 페이스트이고, 전기 화학적 활성 입자는, 배터리의 소개에서 기술되는 바와 같이, 충전 및/또는 방전 공정에서, 전자 및/또는 이온의 수용 및/또는 방출에 의해 화학적으로 수정되는 해당 입자이다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 방법도 배터리 전극의 생성을 위한 방법이다.
그러나, 본 발명에 따른 방법은 가령, 연료 전지의 전기 촉매 레이어를 생산하는데도 사용될 수 있다. 이 경우에, 수소 또는 메타놀과 같은 연료의 저온 연소를 촉매 작용할 수 있는 전기 화학적 활성 입자로서, 촉매 입자(귀금속, 레이니 니켈(Raney nickel), 텅스텐 카바이드, 몰리브덴 설파이드, 텅스텐 설파이드 또는 적절한 유사 물질)를 함유하는 페이스트가 처리된다.
배터리 전극을 생성하는 경우에, 움직이는 표면은, 특히 소개에서 언급된 콜렉터 스트립의 상면 및/또는 하면 또는 롤 또는 다른 평평한 기판과 같은 캐리어 기판이 바람직하며, 페이스트로부터 형성된 전극은 이러한 콜렉터 스트립 상으로 전달될 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로, 배터리에 대한 양극과 음극을 생성하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 움직이는 표면은 알루미늄으로 제조된 전류 콜렉터의 일면이고, 페이스트는 배터리, 특히 리튬 이온 배터리의 양극을 위한 물질을 포함하는 전극 페이스트이다. 본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예에서, 움직이는 표면은 구리로 제조된 전류 콜렉터의 표면이고, 페이스트는 배터리, 특히 리튬 이온 배터리의 음극을 위한 물질을 포함하는 전극 페이스트이다.
리튬 이온 배터리의 음극을 위한 전극 페이스트의 예로서, 적절한 용매 및/또는 분산제(dispersant), 전기 화학적 활성 물질로서 그라파이트 입자, 소디움 카르복시메틸 셀룰로오스와 같은 전극 바인더(binder) 및 선택적으로 전도성 첨가제를 포함하는 페이스트가 언급될 수 있다. 적절한 용매 및/또는 분산제 이외에, 양극을 위한 페이스트는 가령, 전기 화학적 활성 물질로서 리튬 코발트 옥사이드, 또한 전극 바인더 및 전도성 첨가제를 포함할 수 있다. 선택된 활성 물질과 바인더에 따라서, 페이스트는 수용성 및/또는 비수용성 용매 및/또는 분산제를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 범위에서, 페이스트는, 슬롯-모양의 전달 개구부를 가진 노즐을 사용하여 도포되는데, 페이스트는 이송 채널을 통하여 페이스트 저장부로부터 공급된다. 페이스트 저장부는 페이스트를 전달하기 위하여 낮은 압력일 수 있고, 대안적으로, 가령, 펌프가 페이스트 저장부의 다운스트림에 연결될 수도 있다. 전달 개구부로의 페이스트 공급은 제어 수단에 의해 조절되는데, 상기 제어 수단은 제1 스위칭 포지션에서 페이스트 공급부를 전달 개구부로 작동시키고, 제2 스위칭 포지션에서 이송 채널을 차단하면서, 전달 개구부까지 연장되는 이송 채널 섹션을 페이스트 공급부로부터 분리시킨다.
본 발명에 따른 방법은 특히, 감소된 압력이 페이스트 공급부와 분리된 이송 채널 섹션에 가해지고, 그러므로서, 제어 수단이 제2 스위칭 포지션일 때, 페이스트가 이송 채널에 포함된다는 점에서 구별된다. 이러한 방법으로, 소개에서 언급된 바와 같이, 전달 개구부의 방향으로 점성 흐름 공정에 의한 페이스트의 탄력 저하(relaxation)는 대응되어서, 전달 개구부에서의 드랍 형성을 막을 수 있다.
페이스트 공급부로부터 분리된 이송 채널 섹션에의 적용은, 본 발명에 따른 방법의 범위에서 사용되는 제어 수단이, 제2 스위칭 포지션에서, 이송 채널의 분리된 부분을 감소된 압력 소스에 연결되는 방식으로 형성된다. 이는 제어 수단으로서, 회전 가능하게 장착되고, 바람직하게는 원통형으로 형성된 컨트롤 액슬을 선택함에 의하여 특히 유리하게 행해질 수 있고, 상기 컨트롤 액슬은, 페이스트 저장부가 제1 스위칭 포지션에서 전달 개구부와 연통되고, 이송 채널의 분리된 부분이 제2 스위칭 포지션에서 감소된 압력 소스와 연통되는 통로를 포함한다.
전극 페이스트가 슬롯-모양의 전달 개구부로 가능한 균일하게 공급되기 위하여, 제어 수단과 전달 개구부 사이의 이송 채널 섹션은 마찬가지로 적어도 슬롯 모양으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 슬롯-모양의 이송 채널을 통한 페이스트의 흐름은 특히 컨트롤 액슬에 의하여 효율적으로 조절될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 컨트롤 액슬 내의 상기 언급한 통로는 슬롯-모양의 통로이고, 그 통로의 세로 방향 섹션은 이송 채털의 슬롯-모양의 섹션의 치수와 기하형상에 적응되어서, 제1 스위칭 포지션에서, 가능한 최소의 저항으로 채널을 통한 페이스트의 흐름이 보장된다. 이러한 통로는 특히 와이어방전가공(wire electrical discharge machining)에 의해 컨트롤 액슬 내로 잘 도입될 수 있다.
컨트롤 액슬은 바람직하게는 원통형의 보어 내에 회전 가능하게 장착되는 것이 바람직하다. 페이스트 저장부로부터 나오는 이송 채널의 부분과 감소된 압력 소스로부터 나오는 적어도 하나의 감소된 압력 채널은 보어 내로 개방된다. 더구나, 보어는 슬롯-모양의 탈출 개구부의 방향으로 배출부(outlet)를 포함한다. 적어도 배출부와 이송 채널의 유입 개구부는 상기 언급한 슬롯 모양을 가지는 것이 바람직하다. 그들은 모두 슬롯-모양의 개구부이고, 이는 축방향으로 보어의 벽을 관통한다. 감소된 압력 채널의 유입부는 반드시 슬롯-모양일 필요는 없다.
본 발명에 따른 장치가, 상기 기술된 방법을 수행하기 위하여, 다시 말해, 전기 화학적 활성 입자를 함유하는 페이스트로 움직이느 표면을 간헐적으로 코팅하기 위하여 사용된다. 상기 장치는 다음 구성을 포함하는 노즐을 포함한다.
● 슬롯-모양의 전달 개구부,
● 페이스트가 페이스트 저장부로부터 전달 개구부로 공급되도록 하는 이송 채널,
● 전달 개구부로의 페이스트 공급을 조절하고, 제1 스위칭 포지션에서, 페이스트 공급부를 전달 개구부로 작동시키고, 제2 스위칭 포지션에서, 이송 채널을 차단하고 전달 개구부까지 연장되는 이송 채널 섹션을 페이스트 공급부로부터 분리시키는 제어 수단,
● 제어 수단이 제2 스위칭 포지션일 때, 페이스트 공급부로부터 분리된 이송 채널 섹션을 감소된 압력 소스에 연결시킬 수 있도록 하는 감소된 압력 채널.
이송 채널 및 제어 수단의 바람직한 실시예에 관하여, 상기 코멘트한 바와 같이 언급된다. 감소된 압력 소스는 상업적으로 시판되는 진공 펌프일 수 있다. 바람직하게는, 감소된 압력 소스는 감소된 압력 채널과 제어 수단 내의 이미-기술된 통로를 통하여, 페이스트 공급부로부터 분리된 이송 채널의 부분에 결합되는 것이다(제2 스위칭 포지션에서).
본 발명에 따른 방법과 본 발명에 따른 장치는 도면의 도움으로 좀 더 자세히 설명될 것이다. 이 시점에서, 본 출원에서 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법과 본 발명에 따른 장치의 모든 선택적인 태양은 각각 그 자체 혹은 하나 이상의 태양들과 조합하여 실행될 수 있다. 바람직한 실시예의 다음 설명은 단지 본 발명의 설명과 더 나은 이해를 돕기 위한 것이고 제한적으로 해석되어서는 아니된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 장치의 제어 수단이 차지할 있는 제1 및 제2 스위칭 포지션을 개략적으로 나타낸다. 제어 수단의 바람직한 실시예는 도 2의 도움으로 좀 더 자세히 설명될 것이다.
도 1a는 컨트롤 액슬(control axle, 100)의 단면도를 나타낸다. 이것은 제1 스위칭 포지션이고, 페이스트 저장부(paste reservoir, 108)부터 이어진 이송 채널 섹션(transport channel section, 102)은 슬롯-모양의 통로(slot-shaped passage, 101)를 통하여 슬롯-모양의 노즐(slot-shped nozzle, 110)로 이어진 이송 채널 섹선(transport channel section, 103)과 연결된다. 이송 채널에서의 페이스트의 운동 방향은 화살표로 나타낸다. 컨트롤 액슬(100)은 보어(bore, 105) 내에 회전가능하게 장착된다. 컨트롤 액슬의 약 25°의 회전(반시계 방향)에 의하여, 제2 스위칭 포지션이 된다. 이는 도 1b에 나타난다. 그리고 나서, 이송 채널은 차단되고, 이송 채널 섹션(103)은 페이스트 공급으로부터 분리된다. 그러나, 그 대신에, 이송 채널 섹션은 이제 슬롯-모양의 통로(101)을 통하여 감소된 압력 소스(reduced pressure source, 109)로 이어진 감소된 압력 채널(reduced pressure channel, 104)과 연통한다. 감소된 압력은 감소된 압력 소스를 통하여 섹션(103)에 가해질 수 있다. 따라서, 화살표 방향으로 섹션(103)에 포함된 페이스트에 가해지는 인력이 나타난다.
컨트롤 액슬(100)의 대안적인 단면도가 도 2에 도시된다. 여기서, 슬롯-모양의 통로(101)은 두 개의 다르게 형성된 탈출 개구부를 가진다. 개구부(opening, 107)의 개구 각도는 개구부(opening, 106)의 개구 각도보다 훨씬 크다. 이는, 컨트롤 액슬(100)이 제2 스위칭 포지션으로 회전할 때, 통로(101)가 이송 채널 섹션(103)과의 결합을 유지하도록 보장한다. 이 경우에서, 개구 각도의 크기는, 이송 채널 섹션(102)과 감소된 압력 채널(104)간의 반경 거리와 일치되어야한다. 일반적으로, 개구 각도는 10°내지 90°이다.

Claims (4)

  1. 슬롯-모양의 전달 개구부를 가진 노즐을 사용하여, 전기 화학적 활성 입자를 함유하는 페이스트로 움직이는 표면을 간헐적으로 코팅하는 방법에 있어서, 상기 페이스트는 이송 채널을 통하여 페이스트 저장부로부터 전달 개구부로 공급되고, 전달 개구부로의 페이스트 공급은 제어 수단에 의해 조절되고, 상기 제어 수단은, 제1 스위칭 포지션에서 페이스트 공급이 전달 개구부로 작동시키고, 제2 스위칭 포지션에서, 이송 채널을 차단하고 전달 개구부까지 연장되는 이송 채널 섹션을 페이스트 공급부로부터 분리하되,
    제어 수단이 제2 스위칭 포지션일 때, 감소된 압력은 페이스트 공급부로부터 분리된 이송 채널 섹션에 가해지고, 제어 수단은, 제2 스위칭 포지션에서, 이송 채널의 분리된 부분을 감소된 압력 소스에 연결하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제어 수단은 컨트롤 액슬에 회전 가능하게 장착되고, 상기 컨트롤 액슬은, 제1 스위칭 포지션에서 페이스트 저장부가 전달 개구부와 연통되고, 제2 스위칭 포지션에서 이송 채널의 분리된 부분이 감소된 압력 소스와 연통되도록 하는 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 컨트롤 액슬은 보어 내에 회전 가능하게 장착되고, 이송 채널과 감소된 압력 소스로부터 나오는 감소된 압력 채널이 상기 보어 내로 개방되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 전기 화학적 활성 입자를 함유하는 페이스트로 움직이는 표면을 간헐적으로 코팅하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는,
    ● 슬롯-모양의 전달 개구부,
    ● 페이스트가 페이스트 저장부로부터 전달 개구부로 공급되도록 하는 이송 채널,
    ● 전달 개구부로의 페이스트 공급을 조절하고, 제1 스위칭 포지션에서, 페이스트 공급부를 전달 개구부로 작동시키고, 제2 스위칭 포지션에서, 이송 채널을 차단하고, 전달 개구부까지 연장되는 이송 채널 섹션을 페이스트 공급부로부터 분리시키는 제어 수단,
    ● 페이스트 공급부로부터 분리된 이송 채널 섹션이 감소된 압력 소스에 연결시킬 수 있도록 하는 감소된 압력 채널을 포함하는 노즐을 포함하고,
    상기 제어 수단은, 제2 스위칭 포지션에서, 이송 채널의 분리된 부분을 감소된 압력 소스에 연결하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
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