KR20140108005A - 이차전지용 전극 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 전극 제조 장치는 이차 전지용 전극의 제조 장치에 있어서, 내부 공간을 갖는 진공 챔버; 및 리튬원이 수용되며 리튬원을 가열하여 증발시키는 증발부와 상기 증발부의 상부에 위치하며 개구율을 조절하여 리튬의 증착량을 제어하는 노즐부를 갖는 리튬 증착기를 포함한다.

Description

이차전지용 전극 제조 장치{ELECTRODE FABRICATING APPRATUS FOR RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차전지용 전극 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 증착을 위한 이차전지용 전극 제조 장치에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 음극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 어셈블리를 갖는다. 전극 어셈블리는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취되거나 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된다.
충전 전에 양극 측에 존재하고 있는 리튬 이온은 충전 후에 음극측으로 이동한다. 또한, 방전 후에는 음극 활물질에 있던 리튬이 온이 모두 양극 활물질로 이동해야 하지만, 리튬 이온의 일부가 음극 활물질에 그대로 잔류하여 이차 전지의 용량이 감소하는 문제가 발생한다.
본 발명은 리튬의 증착량을 용이하게 조절할 수 있는 전극 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전극 제조 장치는 이차 전지용 전극의 제조 장치에 있어서, 내부 공간을 갖는 진공 챔버; 및 리튬원이 수용되며 리튬원을 가열하여 증발시키는 증발부와 상기 증발부의 상부에 위치하며 개구율을 조절하여 리튬의 증착량을 제어하는 노즐부를 갖는 리튬 증착기를 포함한다.
상기 노즐부는 회전 가능하게 설치된 제1개폐판을 포함할 수 있으며, 상기 노즐부는 상기 제1개폐판과 마주하도록 배치되며 회전 가능하게 설치된 제2개폐판을 포함할 수 있다.
상기 제1개폐판에는 상기 제1개폐판을 회전시키는 제어 모터가 설치될 수 있으며, 상기 제1개폐판의 회전축에는 제1기어가 연결 설치되고, 상기 제2개폐판에의 회전축에는 상기 제1기어와 맞물려 결합된 제2기어가 설치될 수 있다.
상기 제1개폐판 및 상기 제2개폐판에는 열선이 설치될 수 있으며, 상기 노즐부는 측벽을 갖고 상기 측벽에는 열선이 설치될 수 있다.
상기 노즐부는 측벽을 갖고 서로 마주하는 측벽에는 센싱홀이 형성되고, 상기 전극 제조 장치는 센싱홀을 통해서 증착량을 검출하는 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제1개폐판 및 상기 제2개폐판에는 복수 개의 홀이 형성될 수 있으며, 상기 증발부는 측벽을 갖고 상기 측벽에는 가열을 위한 열선이 설치될 수 있다.
상기 증발부의 일측 측벽에는 상기 증발부 내로 리튬을 공급하기 위한 리튬 공급관이 연결 설치될 수 있으며, 상기 증발부의 바닥에는 불순물을 배출시키는 드레인 홀이 형성될 수 있다.
상기 진공 챔버 내에는 전극이 감겨진 권출 롤러와 상기 리튬이 증착된 전극이 감겨지는 권취 롤러, 및 상기 리튬 증착기의 상부에 위치하여 전극을 지지하는 이송 드럼이 설치될 수 있다.
상기 전극 제조 장치는 2개의 리튬 증착기들을 포함하고, 상기 리튬 증착기들 중 어나 하나의 리튬 증착기는 상기 전극의 제1면에 리튬을 증착시키며, 다른 하나의 리튬 증착기는 상기 전극의 제2면에 리튬을 증착시킬수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 노즐부를 구비하여 리튬의 증착량을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 회전하는 개폐판들을 구비하여 노즐부의 개구율을 신속하게 용이하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 제조 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 리튬 증착기를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 리튬 증착기를 잘라 본 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 개폐판을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 개폐판의 회전에 따라 노즐부의 개구율을 조절되는 것을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 개폐판의 회전에 따라 노즐부가 폐쇄된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 전극 제조 장치를 도시한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 제조 장치를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 제1실시예에 따른 전극 제조 장치(101)는 진공 챔버(160)와 진공 챔버(160) 내부에 장착되며 전극판(110)을 주행시키도록 구성된 권출 롤러(130) 및 권취 롤러(140), 권출 롤러(130)와 권취 롤러(140) 사이에 배치된 증착 드럼(120), 및 증착 드럼(120)의 하부에 배치된 리튬 증착기(200)를 포함한다.
전극판(110)은 띠 형태로 이루어진 구리 박막에 활물질층이 도포된 구조로 이루어질 수 있다. 여기서 전극판(110)은 음극판으로 이루어진다. 진공 챔버(160)는 육면체 형태의 상자로 이루어지며, 진공 챔버(160)에는 진공 챔버(160) 내부를 음압 상태로 유지하기 위한 진공 펌프가 설치된다.
권출 롤러(130)에는 전극판(110)이 감겨져 있으며, 권출 롤러(130)에서 이송되는 전극판(110)은 증착 드럼(120)을 거켜서 권취 롤러(140)에 감겨진다.
또한, 본 실시예에 따른 전극 제조 장치(101)는 권출 롤러(130)와 권취 롤러(140) 사이에 배치된 복수 개의 가이드 롤러들(151, 152)을 더 포함하며, 가이드 롤러들(151, 152)은 전극판(110)의 진행을 안내하여 전극판(110)의 진행방향을 변환한다.
증착 드럼(120)은 원통 형태로 이루어지며, 전극판(110)과 맞닿아 전극판(110)을 이송한다. 증착 드럼(120)에는 증착 드럼(120)을 회전시키는 서보 모터가 연결 설치되며, 증착 드럼(120)의 회전에 따라서 전극판(110)의 이송속도가 결정된다. 증착 드럼(120)은 리튬 증착기(200)의 상부에 위치하여 증착 드럼(120)에 의하여 지지된 전극판(110)에 리튬이 도포된다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 리튬 증착기를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 리튬 증착기를 잘라 본 절개 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 리튬 증착기(200)는 리튬원이 수용되며 리튬원을 가열하여 증발시키는 증발부(210)와 증발부(210)의 상부에 위치하며 리튬의 증착량을 제어하는 노즐부(230)를 포함한다. 증발부(210)는 상부가 개방된 상자 형태로 이루어지며, 4개의 측벽(211, 212, 213, 214)을 갖는다. 증발부(210)의 측벽에는 가열을 위한 열선들(215)이 삽입되어 있으며, 열선(215)은 증발부(210)를 가열하여 증발부(210) 내에 위치하는 고체 형태의 리튬을 증발시킨다. 고체의 리튬이 가열되면 액체상태로 변화되며, 액체 리튬이 더욱 가열되면 리튬은 600℃~800℃사이에서 기체로 증발하게 된다.
한편, 증발부(210)의 일측 측벽에는 리튬의 공급을 위한 리튬 공급관(218)이 연결 설치되며, 리튬 공급관(218)을 통해서 증발부 내부로 리튬이 주입된다. 증발부(210)의 바닥(216)에는 드레인 홀(261a)이 형성되는 바, 증발부(210) 내에 불순물이 함유되거나 이물질이 혼입되었을 때, 드레인 홀(261a)을 통해서 오염된 리튬을 액체로 변환하여 외부로 배출할 수 있다.
노즐부(230)는 4개의 측벽(231, 232, 233, 234)을 구비하며, 노즐부(230)의 내부에 회동 가능하도록 제1개폐판(241)과 제2개폐판(242)이 설치된다. 제1측벽(232)과 제2측벽(234)은 마주하도록 배치되며, 제1측벽(232)과 제2측벽(234) 사이에는 제1측벽(232)과 제2측벽(234)을 연결하는 제3측벽(231)과 제4측벽(233)이 설치된다. 제3측벽(231)과 제4측벽(233)은 내측을 향하여 경사지게 배치된다. 이에 따라 노즐부(230)는 상부가 하부보다 더 좁은 구조로 이루어지며, 노즐부의 상단에는 호형의 종단면을 갖는 개구부(239)가 형성된다.
제1측벽(232)과 제2측벽(234)의 종단면은 대략 사다리꼴로 이루어진다. 또한, 노즐부(230)의 측벽들(231, 232, 233, 234)에는 열선(235)이 삽입 설치되어 측벽들(231, 232, 233, 234)을 가열하다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 개폐판을 도시한 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 제1측벽(232)과 제2측벽(234)에 제1개폐판(241)과 제2개폐판(242)이 회동 가능하도록 설치되는 데, 제1개폐판(241)과 제2개폐판(242)은 제1측벽(232)의 폭방향으로 나란하게 이격되어 서로 마주하도록 배치된다.
제1개폐판(241)과 제2개폐판(242)은 대략 직사각의 형상을 갖는 길쭉한 판형태로 이루어지며, 길이방향 양쪽 단부에 축이 결합되어 회동 가능하도록 이루어진다. 또한 제1개페판(241)과 제2개폐판(242)의 내부에는 가열을 위한 열선(245)이 설치된다. 증발부(210)에서 증발되어 노즐부(230)로 이동한 리튬은 측벽(231, 232, 233, 234) 및 개폐판(241, 242)의 표면에 붙어 노즐부(230)의 개구 면적을 감소시키는 문제를 일으킨다. 그러나 본 실시예와 같이 개폐판(241, 242)과 노즐부(230)의 측벽(231, 232, 233, 234)에 열선을 삽입 설치하면 개폐판(241, 242) 및 측벽(231, 232, 233, 234)에 흡착된 리튬을 용융시켜서 증발부(210)로 회수할 수 있다.
제1개폐판(241) 및 제2개폐판(242)에는 복수 개의 홀(241a, 242a)이 형성되어 있다. 제1개폐판(241) 및 제2개폐판(242)에 의하여 노즐부(230)가 폐쇄된 상태에서 리튬이 계속 증발하면 리튬 증착기(200) 내부 압력이 과도하게 증가하여 폭발할 위험이 있다. 그러나 상기한 바와 같이 홀들(241a, 242a)이 형성되면 압력이 과도하게 높아지는 것을 방지할 수 있다.
제1개폐판(241)의 회동축에는 제1기어(251)가 설치되고, 제2개폐판(242)에는 제2기어(252)가 설치되며, 제1기어(251)와 제2기어(252)는 서로 맞물려 결합되어 있다. 또한, 제1개폐판(241)에는 제1개폐판(241)의 회동을 제어하는 제어 모터(253)가 설치된다.
제1개폐판(241)의 양쪽 측단에는 각각 구동축(244, 247)이 설치되고, 일측 구동축(247)에 제1기어(251)와 제어 모터(253)가 연결 설치되고, 타측 구동축(244)에는 베어링이 설치된다. 또한, 제2개폐판(242)의 양쪽 측단에는 각각 구동축(243, 246)이 설치되는 바, 일측 구동축(246)에는 제2기어(252)가 연결 설치되고 타측 구동축(243)에는 베어링이 설치된다.
이에 따라 제어 모터(253)의 회전에 따라 제1개폐판(241) 및 제2개폐판(242)의 회동이 제어되며, 제1개폐판(241) 및 제2개폐판(242)의 회동에 따라 리튬의 증착량을 제어할 수 있다.
한편, 제3측벽(231)과 제4측벽(233)의 상부에는 센싱홀(231a, 233a)이 설치되어 있다. 제3측벽(231)에 형성된 센싱홀(231a)에는 이와 인접하게 제1센서(238)가 설치되고, 제4측벽(233)에 형성된 센싱홀(233a)에는 이와 인접하게 제2센서(237)가 설치된다. 제1센서(238)와 제2센서(237)는 지지부재(미도시)를 매개로 리튬 증착기(200)의 외측에 배치된다. 제1센서(238)와 제2센서(237)는 리튬의 증착량을 측정하기 위한 센서로서 레이저 센서로 이루어진다. 제1센서(238)는 발광센서로 이루어지고, 제2센서(237)는 수광센서로 이루어지는 바, 제1센서(238)에서 발생된 레이저가 제2센서(237)로 유입되는 세기를 측정하여 노즐부(230)에서 전극판(110)으로 공급되는 리튬의 양을 측정할 수 있다.
상승하는 리튬의 양이 많으면 제어모터(253)를 이용하여 제1개폐판(241) 및 제2개폐판(242)을 회전시켜서 개구율을 감소시키며, 리튬의 양이 적으면 제1개폐판(241) 및 제2개폐판(242)을 회전시켜서 개구율을 증가시킨다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 제1개폐판(241)과 제2개폐판(242)의 회전에 의하여 노즐부(230)의 개구율을 용이하게 조절할 수 있으며, 특히 센서들(237, 238)을 이용하여 증착량을 감시하므로 전극판(110)에 균일한 양의 리튬을 증착시킬 수 있다.
또한, 6에 도시된 바와 같이, 리튬이 가열되어 증발 상태에 이르기 전에는 노즐부(230)를 폐쇄하여 리튬의 낭비를 막을 수 있다. 또한, 노즐부(230)의 개구율이 제1개폐판(241)과 제2개폐판(242)의 회전에 의하여 이루어지므로 하나의 판으로 가로막는 구조에 비하여 신속하게 개구율을 조절할 수 있으며, 이에 따라 전극판(110)에 더욱 균일한 양의 리튬을 증착할 수 있다.
충전 전에 양극에 있던 리튬 이온이 충전을 진행하게 되면 음극으로 이동하며, 다시 방전을 하게 되면 음극으로 이동했던 리튬 이온이 양극으로 이동하게 되는데, 이때 음극의 리튬 이온이 모두 양극으로 이동하지 못하고 일부 리튬 이온이 음극에 잔류하여 재충전 시에 양극에서 음극으로 이동하는 전자가 부족하게 되어 결과적으로 전지의 용량감소 현상이 일어난다.
그러나 본 실시예와 같이 음극 활물질의 표면에 추가적으로 리튬을 증착하여 리튬층을 형성하면 양극에서 전달된 리튬과 함께 음극에 원래 잔류하던 리튬 이온이 양극으로 이동하므로 용량감소 현상을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 전극 제조 장치를 도시한 구성도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 제2실시예에 따른 전극 제조 장치(102)는 진공 챔버(180)와 진공 챔버(180) 내부에 장착되며 전극판(110)을 주행시키도록 구성된 권출 롤러(164) 및 권취 롤러(163), 권출 롤러(164)와 권취 롤러(163) 사이에 배치된 제1증착 드럼(161)과 제2증착 드럼(162), 및 제1증착 드럼(161)의 하부에 배치된 제1리튬 증착기(201)와 제2리튬 증착기(202)를 포함한다.
전극판(110)은 띠 형태로 이루어진 구리 박막에 활물질층이 도포된 구조로 이루어질 수 있다. 여기서 전극판(110)은 제1면(110a)과 이의 반대면인 제2면(110b)을 갖고 전극판(110)의 양쪽 면에 활물질층이 도포되어 있다. 전극판(110)은 음극판으로 이루어진다.
진공 챔버(180)는 육면체 형태의 상자로 이루어지며, 진공 챔버(180)에는 진공 챔버(180) 내부를 음압 상태로 유지하기 위한 진공 펌프가 설치된다.
권출 롤러(164)에는 전극판(110)이 감겨져 있으며, 권출 롤러(164)에서 이송되는 전극판(110)은 제1증착 드럼(161)을 거켜서 권취 롤러(140)에 감겨진다.
또한, 본 실시예에 따른 전극 제조 장치(102)는 권출 롤러(130)와 권취 롤러(140) 사이에 배치된 복수 개의 가이드 롤러들(171, 172, 173, 174, 175)을 더 포함하며, 가이드 롤러들(171, 172, 173, 174, 175)은 전극판(110)의 진행을 안내하여 전극판(110)의 진행방향을 변환한다.
제1리튬 증착기(201)와 제2리튬 증착기는 상기한 제1실시예에 따른 리튬 증착기와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1증착 드럼(161)은 제1리튬 증착기(201)의 상부에 위치하며 제1리튬 증착기(201)와 제1증착 드럼(161)이 전극판(110)의 제1면(110a)에 리튬을 증착시킨다. 또한, 제2증착 드럼(162)은 제2리튬 증착기(202)의 상부에 위치하며 제2리튬 증착기(202)와 제2증착 드럼(162)이 전극판(110)의 제2면(110b)에 리튬을 증착시킨다.
상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 하나의 진공 챔버 내에서 전극판의 양면에 리튬을 증착할 수 있으므로 효율성이 향상된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
101, 102: 전극 제조 장치 110: 전극판
110a: 제1면 110b: 제2면
120: 증착 드럼 130, 164: 권출 롤러
140, 163: 권취 롤러 160, 180: 진공 챔버
162: 제1증착 드럼 162: 제2증착 드럼
200: 리튬 증착기 201: 제1리튬 증착기
202: 제2리튬 증착기 210: 증발부
216: 바닥 218: 리튬 공급관
230: 노즐부 231a, 233a; 센싱홀
215, 235, 245: 열선 239: 개구부
241: 제1개페판 242: 제2개폐판
251: 제1기어 252: 제2기어
253: 제어 모터

Claims (14)

  1. 이차 전지용 전극의 제조 장치에 있어서,
    내부 공간을 갖는 진공 챔버; 및
    리튬원이 수용되며 리튬원을 가열하여 증발시키는 증발부와 상기 증발부의 상부에 위치하며 개구율을 조절하여 리튬의 증착량을 제어하는 노즐부를 갖는 리튬 증착기;를 포함하는 전극 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐부는 회전 가능하게 설치된 제1개폐판을 포함하는 전극 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 제1개폐판과 마주하도록 배치되며 회전 가능하게 설치된 제2개폐판을 포함하는 전극 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1개폐판에는 상기 제1개폐판을 회전시키는 모터가 설치된 전극 제조 장치.
  5. 제4항 에 있어서,
    상기 제1개폐판의 회전축에는 제1기어가 연결 설치되고, 상기 제2개폐판에의 회전축에는 상기 제1기어와 결합된 제2기어가 설치된 전극 제조 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1개폐판 및 상기 제2개폐판에는 열선이 설치된 전극 제조 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 노즐부는 측벽을 갖고 상기 측벽에는 열선이 설치된 전극 제조 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 노즐부는 측벽을 갖고 서로 마주하는 측벽에는 센싱홀이 형성되며, 상기 전극 제조 장치는 상기 센싱홀을 통해서 리튬의 증착량을 검출하는 센서를 더 포함하는 전극 제조 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1개폐판 및 상기 제2개폐판에는 복수 개의 홀이 형성된 전극 제조 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 증발부는 측벽을 갖고 상기 측벽에는 가열을 위한 열선이 설치된 전극 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 증발부의 일측 측벽에는 상기 증발부 내로 리튬을 공급하기 위한 리튬 공급관이 연결 설치된 전극 제조 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 증발부의 바닥에는 불순물을 배출시키는 드레인 홀이 형성될 수 있다.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 진공 챔버 내에는 전극이 감겨진 권출 롤러와 상기 리튬이 증착된 전극이 감겨지는 권취 롤러, 및 상기 리튬 증착기의 상부에 위치하여 전극을 지지하는 이송 드럼이 설치된 전극 제조 장치.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 전극 제조 장치는 2 개의 리튬 증착기를 포함하고,
    상기 리튬 증착기들 중 어나 하나의 리튬 증착기는 상기 전극의 제1면에 리튬을 증착시키며, 다른 하나의 리튬 증착기는 상기 전극의 제2면에 리튬을 증착시키는 전극 제조 장치.
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