KR20160141448A - 압연에 따른 전극 시트의 너울 또는 주름을 방지할 수 있는 전극 압연 장치 - Google Patents

압연에 따른 전극 시트의 너울 또는 주름을 방지할 수 있는 전극 압연 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집전체 상에 둘 이상의 전극 합체 코팅층들이 상호 이격된 상태로 도포되어 있는 전극 시트를 압연(rolling)하는 장치로서, 회전 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하고, 이들 사이에 형성된 제 1 압연 갭(rolling gap)을 통해 전극 시트가 통과할 때, 전극 합제 코팅층을 압연하는 한 쌍의 제 1 압연 롤러들; 및 회전 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하고, 전극 합제 코팅층이 형성되지 않은 집전체의 무지부들을 압연하는 한 쌍의 제 2 압연 롤러들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치를 제공한다.

Description

압연에 따른 전극 시트의 너울 또는 주름을 방지할 수 있는 전극 압연 장치 {Electrode Rolling Device Capable of Preventing Swell or Wrinkle of Electrode Sheet by Rolling Work}
본 발명은 압연에 따른 전극 시트의 너울 또는 주름을 방지할 수 있는 전극 압연 장치에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 모바일 기기의 에너지원 뿐만 아니라, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.
이러한 리튬 이차전지의 제조 공정은 크게 전극 공정, 조립 공정, 화성 공정의 3단계로 구분된다. 상기 전극 공정은 다시 활물질 혼합 공정, 전극코팅 공정, 압연 공정, 슬리팅 공정, 권취 공정 등으로 구분된다.
이 중, 압연 공정은 전극 합제의 코팅 공정이 끝난 전극 시트의 두께를 축소시켜 용량 밀도를 높이고, 전극 집전체와 전극 합제에 포함된 전극 활물질 간의 접착성 및 밀착성을 증가시키기 위해, 고온 가열된 2개의 압연 롤러들 사이로 전극 시트를 통과시켜 원하는 두께와 밀도로 압축하는 공정이다.
이러한 압연 공정에서 전극 시트의 두께는 2개의 압연 롤러 사이의 압연 갭에 의해 결정되며, 상기 압연 갭은 압연 롤러들의 상하 위치를 제어하는 구동부를 조작하여 원하는 두께로 전극을 압축 및 압연하도록 압연 갭을 산출하게 되며, 일반적으로, 상기 2개의 압연 롤러 중 하나의 압연 롤러가 고정된 상태에서, 나머지 하나의 압연 롤러의 위치를 구동부로 조정하여 산출된 압연 갭을 바탕으로 전극을 압축 및 압연하게 된다.
그러나, 전극 시트가 압연 롤러에 의해 압연될 때, 전극 합제가 코팅된 부위와 비교하여, 전극 합제가 도포되지 않은 무지부에는 거의 압력이 인가되지 않아 코팅 부위와 무지부의 집전체 연신율 차이로 인해 전극 집전체 상에 너울 또는 주름이 발생하게 된다.
이러한 너울과 주름은 압연 공정 후 수행되는 권취 공정에서 원단의 사행 및 심각한 치수 불량을 초래하며, 결과적으로 이차전지용 전극의 품질을 저해하는 원인이 된다.
뿐만 아니라, 너울과 주름이 전극에 형성되어 있는 경우, 전극 합제 층과 집전체 사이에 간극(gap)이 발생하기 쉽고, 이러한 간극은 전극 합제층의 이탈을 초래하여 전극의 성능을 상당히 저해할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전극 시트에서 전극 합제 코팅층 뿐만 아니라, 전극 합제 코팅층이 형성되지 않은 집전체의 무지부들을 압연할 수 있는 전극 압연 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 압연 장치는 집전체 상에 둘 이상의 전극 합체 코팅층들이 상호 이격된 상태로 도포되어 있는 전극 시트를 압연(rolling)하는 장치로서,
회전 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하고, 이들 사이에 형성된 제 1 압연 갭(rolling gap)을 통해 전극 시트가 통과할 때, 전극 합제 코팅층을 압연하는 한 쌍의 제 1 압연 롤러들; 및
회전 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하고, 전극 합제 코팅층이 형성되지 않은 집전체의 무지부들을 압연하는 한 쌍의 제 2 압연 롤러들;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 다른 전극 압연 장치는 제 1 압연 롤러들을 통해 전극 시트의 전극 합제 코팅층이 압연되는 한편, 제 2 압연 롤러들이 무지부를 압연함으로써, 전극 합체의 코팅 부위와 미 코팅 부위인 무지부의 집전체 연신율 차이를 최소화할 수 있고, 그에 따라 압연된 전극 시트에 너울 또는 주름이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
일반적으로, 전극 합제는 집전체의 일면 또는 양면 상에 도포되나, 전극 탭 형성 부위인 집전체의 양측 단부와 인접한 부위에는 전극 합제가 도포되지 않은 무지부로 형성되어 있다. 또한, 상기 양측 단부 부위 뿐만 아니라, 전극의 유연성을 위하여 무지부를 전극 시트 상에 패턴(pattern)화 시키기도 한다. 이 때, 다수의 무지부가 전극 시트 상에 형성되어 있는 경우, 압연 공정 시, 너울과 주름 발생 빈도가 더욱 높은 특징이 있다.
이에, 본 발명에 따른 전극 압연 장치는 집전체 상에 둘 이상의 전극 합체 코팅층들이 상호 이격된 구조의 전극 시트, 즉 상기 양측 단부 부위뿐만 아니라, 전극의 유연성을 향상을 위해 전극 시트 상에 형성되어 있는 무지부의 압연을 용이하게 수행할 수 있도록 하기에 상술하는 바와 같이, 특별한 구조로 이루어져 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 한 쌍의 제 2 압연 롤러들은,
제 1 압연 롤러들로부터 인출되는 전극 시트를 기준으로 상부 측에 위치한 상부 롤러; 및
제 1 압연 롤러들로부터 인출되는 전극 시트를 기준으로 하부 측에 위치한 하부 롤러;
을 포함하며,
상기 무지부는, 전극 시트의 인출 방향에 대응하는 전극 시트의 길이 방향으로, 상기 전극 시트 상에 적어도 2개 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 2 압연 롤러들의 상부 롤러 및/또는 하부 롤러에는 전극 시트의 무지부들에 대응되는 위치에 상기 무지부 만을 압연하기 위한 가압부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 가압부는, 제 1 압연 롤러들로 압연된 후, 제 1 압연 갭으로부터 인출되는 전극 시트가 제 2 압연 롤러들에 투입되면 전극 합제 코팅층을 제외하고, 전극 시트에 형성되어 있는 모든 무지부들만을 압연할 수 있다.
상기 가압부는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러의 외면으로부터 외향 돌출된 구조일 수 있다. 즉, 가압부는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러와 일체형으로, 이들 롤러들의 일부가 외향으로 돌출된 구조일 수 있고, 따라서 상부 롤러 및/또는 하부롤러는, 수직 단면 상으로 이들의 표면의 가압부들 사이가 만입되어 있는 요철 형태로 이루어질 수 있다.
이와는 달리, 상기 가압부는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러의 외면에 탈착이 가능하도록 장착된 상태로 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
상기 구조의 가압부는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러의 외경 대비 95% 내지 100%의 내경을 가지는 링 형상(ring-shaped)의 금속 부재로서, 상부 롤러 및/또는 하부 롤러에 억지끼움(shrink fit) 방식으로 장착될 수 있다.
이러한 구조는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러에 가압부가 장착된 상태에서 회전 축을 기준으로 가압부를 좌측 또는 우측으로 이동시킬 수 있으며, 그에 따라 전극 시트의 무지부의 위치에 따라 가압부의 위치를 조절하여 압연 공정 수행을 가능하게 한다.
상기 가압부는 또한 무지부의 효과적인 압연을 위하여 그것의 내부에 무지부 상에 열을 가하기 위한 열선(heat ray)이 포함되어 있을 수 있다.
상기 가압부의 폭은 무지부의 폭(w)과 동일하거나 그보다 약간 작은 폭으로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 상기 무지부의 폭(w) 대비 90% 내지 100%의 폭을 가질 수 있다.
가압부의 폭이 상기 범위를 초과하는 경우, 압연 시, 가압부가 전극 합제 코팅층에 간섭될 수 있으므로 바람직하지 않고, 상기 범위 미만인 경우, 무지부의 압연 부위와 미 압연 부위의 연신율 차이로 소망하는 효과를 기대할 수 없다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 2 압연 롤러들은 가압부를 제외한 나머지 상부 롤러와 하부 롤러 사이에 제 2 압연 갭이 형성되어 있고, 상부 롤러의 가압부 및 하부 롤러의 가압부 사이, 또는 상부 롤러의 가압부와 하부 롤러 사이, 또는 하부 롤러의 가압부와 상부 롤러 사이에 제 3 압연 갭이 형성된 구조일 수 있다.
즉, 제 2 압연 갭은 제 1 압연 갭으로부터 인출되는 전극 시트의 전극 합제 코팅층을 압연하거나 전극 합제 코팅층이 통과하는 제 2 압연 롤러들의 압연 부위이고, 제 3 압연 갭은 제 1 압연 갭으로부터 인출되는 전극 시트의 무지부들을 압연하는 제 2 압연 롤러들의 압연 부위이다.
이 때, 상기 제 2 압연 갭은, 제 3 압연 갭에서 무지부가 압연될 때, 제 3 압연 갭에 가해지는 압력에 대응하여 전극 합제 코팅층에도 일정 압력을 제공하여 집전체의 연신율 차이를 최소화 할 수 있는 크기로 이루어질 수 있고, 경우에 따라서는 제 3 압연 갭에서 무지부가 압연될 때, 제 2 압연 갭은 전극 합제 코팅층을 고정시킬 수 있는 크기로 이루어질 수 있다.
여기서, 제 2 압연 갭의 크기가 너무 작은 경우, 이미 압연된 전극 합제 코팅층을 제 1 압연 롤러들 보다 더 강한 압력으로 압연하게 되므로 전극 합제 코팅층에 크랙(crack)이 발생시킬 수 있다. 반면에 제 2 압연 갭의 크기가 너무 큰 경우, 제 3 압연 갭을 형성하기 위한 가압부의 크기가 증가되어야 하며, 제 3 압연 갭에서 무지부가 압연될 때, 전극 합제 코팅층이 제 2 압연 갭에 의해 전혀 고정되지 않으므로 집전체의 연신율 차이에 따른 너울이 발생하게 되어 바람직하지 않은 바, 상기 제 2 압연 갭의 크기는 제 1 압연 갭의 크기 대비 90% 내지 110%의 크기로 이루어질 수 있고, 상세하게는 98% 내지 100%일 수 있다.
상기 제 3 압연 갭은 제 1 압연 롤러들로부터 투입되는 무지부에 충분한 압력을 인가할 수 있는 크기를 가질 수 있으며, 상세하게는 제 1 압연 갭의 크기 대비 70% 내지 99.9%일 수 있고, 더욱 상세하게는 제 1 압연 갭의 크기 대비 80% 내지 99%일 수 있다.
상기 제 1 압연 갭의 크기가 70%보다 작은 경우, 무지부에만 과도한 압력이 인가되어 제 2 압연 갭에 위치한 전극 합체 코팅층의 집전체 연신율과 크게 상이할 수 있어 오히려 너울과 주름 발생이 무지부상에 나타날 수 있고, 상기 제 1 압연 갭의 크기가 99.9%보다 큰 경우, 무지부가 압연되지 않아 소망하는 효과가 발현되지 않는다.
본 발명의 전극 압연 장치는 또한, 전극 시트가 감겨 있는 피딩 롤; 및 제 1 압연 롤러들과 제 2 압연 롤러들에 의해 압연된 전극 시트를 와인딩 권취하는 리와인더;를 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 압연 장치는 전극 시트가 피딩 롤로부터 리와인더까지 권취되는 과정에서 제 1 압연 롤러 및 제 2 압연 롤러에 의해 연속적으로 압연시키는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조의 전극 압연 장치는 제 1 압연 롤러들과 제 2 압연 롤러들 사이, 또는 제 2 압연 롤러들과 리와인더 사이에 전극 시트에 장력을 인가하는 보정 롤러가 배치될 수 있으며, 상기 보정 롤러는, 전극 압연 장치에서 이동하는 전극 시트에 장력을 부가하여 전극 시트의 접힘, 상세하게는 전극 시트에서 두께가 상대적으로 얇은 무지부가 접히는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극 압연 장치로 제조된 이차전지용 전극을 제공하며, 상기 전극은 유연성을 위하여 전극 합체 코팅층이 도포되지 않은 무지부를 적어도 2개 이상 포함할 수 있다.
상기 무지부는 전극 합제가 코팅되어 있지 않으므로, 전극에서 두께가 상대적으로 얇고 그에 따라 전극을 굴곡시키거나 절곡 시키기 위한 응력이 완화되어 전극의 절곡 또는 굴곡을 용이하게 할 수 있다.
본 발명은 또한, 전극 시트를 압연하는 방법을 제공한다.
상기 방법은 구체적으로,
(a) 집전체의 전극 합제 코팅층을 압연하는 과정; 및
(b) 전극 합제 코팅층이 형성되지 않은 집전체의 무지부들을 압연하는 과정;
을 포함하고 있고,
상기 과정(a)와 과정(b) 이후에, 전극 합체 코팅층가 위치하는 집전체 부위의 연신율과 무지부에 위치하는 집전체 부위의 연신율의 차이가 10% 이하인 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 방법은 전극 합제 코팅층의 압연 뿐만 아니라, 무지부를 압연하여 집전체 대면적을 기준으로 코팅 부위와 미 코팅 부위의 연신율 차이를 10% 이하로 최소화 할 수 있고, 그에 따라 연신율 차이에서 유발되는 전극 시트의 너울 또는 주름과 같은 불량을 방지할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 방법은 상기 과정(a) 이후에 과정(b)를 수행하거나, 또는 과정(b) 이후에 과정(a)를 수행할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전극을 포함하는 이차전지 및 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다.
본 발명의 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
상기 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 다른 전극 압연 장치는 제 1 압연 롤러들을 통해 전극 시트의 전극 합제 코팅층이 압연되는 한편, 제 2 압연 롤러들이 무지부를 압연함으로써, 전극 합체의 코팅 부위와 미 코팅 부위인 무지부의 집전체 연신율 차이를 최소화할 수 있고, 그에 따라 압연된 전극 시트에 너울 또는 주름이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 압연 장치의 모식도이다;
도 2는 전극 시트의 일부를 나타낸 모식도이다;
도 3은 제 1 압연 롤러와 제 2 압연 롤러의 모식도이다;
도 4는 제 1 압연 롤러를 통해 전극 시트가 압연되는 구조를 나타낸 수직 단면 모식도이다;
도 5는 제 2 압연 롤러를 통해 전극 시트가 압연되는 구조를 나타낸 수직 단면 모식도이다;
도 6은 제 2 압연 롤러와 가압부의 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 압연 장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극 압연 장치(100)는 제 1 압연 롤러들(110), 제 2 압연 롤러들(120), 피딩 롤(130), 리와인더(140) 및 보정 롤러(120)를 포함한다.
전극 시트(10)는 피딩 롤(130)에 감겨져 있고, 피딩 롤(130)로부터 제 1 압연 롤러들(110), 제 2 압연 롤러들(120) 및 보정 롤러(120)를 순차적으로 지나 리와인더(140)에 권취된다.
제 1 압연 롤러들(110)는 전극 시트(10)를 기준으로 상부와 하부에 각각 위치하며, 상호 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 압연 롤러들로 구성되어 있다.
제 2 압연 롤러들(120)는 전극 시트(10)의 진행 방향을 기준으로 제 1 압연 롤러들(110)의 후방에 배치되어 있고, 전극 시트(10)를 기준으로 상부에 위치하는 상부 롤러(122) 및 하부에 위치하는 하부 롤러(124)를 포함하며, 상부 롤러(122)과 하부 롤러(124)은 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성되어 있다.
도 1의 전극 압연 장치(100)에서는 제 2 압연 롤러들(120)이 제 1 압연 롤러들(110)의 후방에 배치되었으나, 경우에 따라서는, 제 1 압연 롤러들(110)을 제 2 압연 롤러들(120)의 후방에 배치하여 제 2 압연 롤러들(120)로부터 전극 시트(10)가 우선 압연된 후, 제 1 압연 롤러들(110)로 투입되도록 구성할 수 있음은 물론이다.
피딩 롤(130)에는 전극 시트(10)가 감겨져 있고, 제 1 압연 롤러들(110), 제 2 압연 롤러들(120), 보정 롤러(120) 및 리와인더(140)의 회전 운동에 의해 전극 시트(10)가 풀리도록 구성되어 있다.
리와인더(140)는 제 1 압연 롤러들(110)과 제 2 압연 롤러들(120)에 의해 압연된 전극 시트(10)를 권취한다.
보정 롤러(120)는 제 2 압연 롤러들(120)과 리와인더(140) 사이에 배치되어 있고, 전극 시트(10)에 장력을 인가하여 리와인더로 이동하는 전극 시트(10)의 접힘이나 주름을 방지한다.
도 1에는 보정 롤러(120)가 제 2 압연 롤러들(120)과 리와인더(140) 사이에 배치되어 있으나, 경우에 따라서는 제 1 압연 롤러들(110)과 제 2 압연 롤러들(120) 사이에 배치될 수 있음은 물론이다.
도 2에는 본 발명의 전극 압연 장치에 투입되는 전극 시트가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극 시트(10)는 전기 전도성의 금속 집전체(11)의 일면 상에 전극 합제가 코팅되어 있는 구조로 이루어져 있다. 도 2에는 설명의 편의를 위하여 전극 합제가 집전체의 일면 상에 도포된 것으로 도시하였으나, 경우에 따라서는 집전체(11)의 양면에 전극 합제를 코팅 시킬 수 있음은 물론이다.
여기서, 전극 합제는 두 개의 전극 합제 코팅층(12a, 12b)을 포함하며, 전극 합제 코팅층(12a, 12b)은 서로 일정 거리로 이격된 상태로 전극 집전체(11) 상에 형성되어 있다.
즉, 전극 집전체(11) 상에서 전극 합제가 코팅되지 않은 미 코팅 영역에 무지부(11b)가 형성되어 있다.
무지부(11a, 11c)는 또한, 전극 집전체(11) 상에서 양측 단부에 더 형성되어 있다. 양측 단부에 형성된 무지부(11a, 11c)에는 전극 탭의 형상으로 노칭 공정이 수행될 수 있다.
또한, 전극 시트(10)에서 무지부들(11a, 11b, 11c)은 전극 시트의 이동 방향에 대응하는 전극 시트(10)의 길이 방향으로, 형성되어 있다.
이러한 전극 시트(10)는 전극 합제 코팅층(12a, 12b) 사이에 전극에서 두께가 상대적으로 얇은 무지부(11b)가 형성되어 있는 바, 전극 시트(10)를 굴곡시키거나 절곡 시킬 때, 무지부(11b)에 인가되는 응력이 완화되어 무지부(11b)가 없는 일반적인 전극 시트(10)와 비교하여 더욱 유연성이 높은 장점이 있다.
도 3 내지 도 5에는 전극 시트가 제 1 압연 롤러들 및 제 2 압연 롤러들에 의해 압연되는 구조가 모식적을 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 한 쌍의 제 1 압연 롤러들(110) 사이에는 제 1 압연 갭(rolling gap, g1)이 형성되어 있다. 제 1 압연 갭(g1)은 전극 시트(10)에서 전극 합제 코팅층(12a, 12b)의 두께와 전극 집전체(11)의 두께를 합산한 크기보다 작은 크기로 이루어질 수 있으며, 상기 제 1 압연 갭(g1)의 크기는 소망하는 전극 합제 코팅층(12a, 12b) 공극률과 용량 밀도를 고려하여 설정될 수 있으며, 상세하게는 상기 제 1 압연 갭(g1)의 크기는 적어도 집전체(11)의 두께보다 크고, 전극 합체 코팅층(12a, 12b)의 두께와 집전체(11)의 두께를 합산한 크기 대비 60% 내지 100%의 크기일 수 있다.
따라서, 전극 시트(10)가 제 1 압연 갭(g1)을 통과할 때, 전극 합제 코팅층(12a, 12b)에는 제 1 압연 롤러들(110)에 의해 압력이 인가되며, 그에 따라 전극 합제 코팅층(12a, 12b)은 초기에 코팅된 두께 보다 더 얇게 압연된다.
제 1 압연 롤러들(110)에 의해 압연된 전극 시트(10)는 제 2 압연 롤러들(120)로 이동한다.
제 2 압연 롤러들(120)은 상술한 바와 같이, 제 1 압연 롤러들(110)로부터 인출되는 전극 시트(10)를 기준으로 상부 측에 위치한 상부 롤러(122) 및 제 1 압연 롤러들(110)로부터 인출되는 전극 시트(10)를 기준으로 하부 측에 위치한 하부 롤러(124)를 포함한다.
여기서, 제 2 압연 롤러들(120) 중, 상부 롤러(122)에는 전극 시트(10)의 무지부들(11a, 11b, 11c)에 대응되는 위치에 무지부들(11a, 11b, 11c)만을 압연하기 위한 가압부들(126a, 126b, 126c)이 형성되어 있다. 도 4 내지 도 5에는 가압부들(126a, 126b, 126c)이 상부 롤러에만 형성되어 있으나, 집전체의 양면에 전극 합제가 도포되어 있는 전극 시트의 경우, 상부 롤러(122)뿐만 아니라, 하부 롤러(124)에도 가압부들(126a, 126b, 126c)이 형성될 수 있음은 물론이다.
이러한 가압부들(126a, 126b, 126c)은, 제 1 압연 롤러들(110)에 의해 압연된 후, 제 1 압연 갭(g1)으로부터 인출되는 전극 시트(10)가 제 2 압연 롤러들(120)에 투입되면 전극 합제 코팅층(12a, 12b)을 제외하고, 전극 시트(10)에 형성되어 있는 모든 무지부들(11a, 11b, 11c)만을 압연하도록 구성되어 있다.
구체적으로, 가압부들(126a, 126b, 126c)은 상부 롤러(122)의 외면으로부터 외향 돌출된 구조로 이루어져 있으며, 가압부들(126a, 126b, 126c)은 하부 롤러(124)와의 사이에 제 3 압연 갭(g3)을 형성한다. 또한, 제 2 압연 롤러들(120)에는 가압부들(126a, 126b, 126c)을 제외한 나머지 상부 롤러(122)의 외면과 하부 롤러(124)의 외면 사이에 제 2 압연 갭(g2)이 형성되어 있다.
즉, 제 2 압연 롤러들(120)에는 두 개의 압연 갭들(g2, g3)이 형성되어 있고, 제 3 압연 갭(g3)의 크기가 제 2 압연 갭(g2)의 크기보다 더 작게 구성되어 있다.
여기서, 제 2 압연 갭(g2)은 전극 합제 코팅층(12a, 12b)을 더 압연 하도록 전극 합제 코팅층(12a, 12b)과 집전체(11)의 두께 합 보다 작게 구성될 수 있고, 경우에 따라서, 전극 합제 코팅층(12a, 12b)과 집전체(11)의 두께와 동일한 크기 또는 그 보다 대략 10% 크게 구성될 수 있다.
제 3 압연 갭(g3)은 제 1 압연 갭(g1)으로부터 인출되는 전극 시트(10)의 무지부들(11a, 11b, 11c)을 압연하는 제 2 압연 롤러들(120)의 압연 부위로서, 전극 시트(10)가 제 2 압연 롤러들(120)을 통과할 때, 하부 롤러(124)에 의해 전극 합제가 코팅되어 있지 않은 전극 시트(10)의 하면이 지지된 상태에서, 가압부들(126a, 126b, 126c)은 전극 시트(10)에 형성된 무지부들(11a, 11b, 11c) 만을 압연한다.
따라서, 본 발명에 따른 전극 압연 장치(100)는, 제 1 압연 롤러들(110)을 통해 전극 시트(10)의 전극 합제 코팅층(12a, 12b)이 압연되는 한편, 제 2 압연 롤러들(120)에서 가압부들(126a, 126b, 126c)이 전극 시트(10)의 무지부들(11a, 11b, 11c)만을 더 압연함으로써, 제 1 압연 롤러들(110)에서 압연된 전극 합체의 코팅 부위와 미 코팅 부위인 무지부들(11a, 11b, 11c)의 연신율에 차이가 나는 것을 최소화 할 수 있으며, 결과적으로 본 발명의 전극 압연 장치(100)에 의해 압연된 전극 시트(10)에는 연신율 차이에 따른 너울, 주름 또는 무지부의 접힘과 같은 불량 발생을 방지할 수 있다.
한편, 도 6에는 본 발명에 따른 전극 압연 장치에서 가압부가 제 2 압연 롤러에 장착되는 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 가압부(200)는 압연 롤러, 예를 들어 상부 롤러(122)의 외경과 대략 동일한 내경을 가지는 개구(212)가 형성된 링 형상(ring-shaped)의 금속 부재로 이루어져 있다. 여기서 상기 금속 부재는 강도가 높은 금속이라면 크게 한정되는 것은 아니다.
가압부(200)는 개구(212)를 상부 롤러(122)에 억지끼움(shrink fit)시키는 방식으로 상부 롤러(122) 상에 장착시킨다.
여기서 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 압연 장치는, 가압부(200)가 상부 롤러(122)에 장착된 상태에서 롤러(122)의 회전 축(Y)을 기준으로 가압부(200)를 좌측(도 6의 200c) 또는 우측(도 6의 200a)으로 이동시킬 수 있으며, 그에 따라 전극 시트의 무지부의 위치에 따라 가압부(200)의 위치를 변화시킬 수 있으며, 결과적으로 다양한 형상의 전극 시트를 효과적으로 압연시킬 수 있는 점에 주목해야 한다.
본 발명의 전극 압연 장치는 또한, 가압부가 탈착 및 부착이 가능한 구조로 이루어져 있는 바, 무지부의 형상, 예를 들어 무지부의 폭이 크거나 작은 경우, 이에 대응하는 형상의 가압부를 롤러에 장착하여 압연 공정을 수행할 수 있는 장점이 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 집전체 상에 둘 이상의 전극 합체 코팅층들이 상호 이격된 상태로 도포되어 있는 전극 시트를 압연(rolling)하는 장치로서,
    회전 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하고, 이들 사이에 형성된 제 1 압연 갭(rolling gap)을 통해 전극 시트가 통과할 때, 전극 합제 코팅층을 압연하는 한 쌍의 제 1 압연 롤러들; 및
    회전 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하고, 전극 합제 코팅층이 형성되지 않은 집전체의 무지부들을 압연하는 한 쌍의 제 2 압연 롤러들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 제 2 압연 롤러들은,
    제 1 압연 롤러들로부터 인출되는 전극 시트를 기준으로 상부 측에 위치한 상부 롤러; 및
    제 1 압연 롤러들로부터 인출되는 전극 시트를 기준으로 하부 측에 위치한 하부 롤러;
    을 포함하며,
    상기 무지부는, 전극 시트의 인출 방향에 대응하는 전극 시트의 길이 방향으로, 상기 전극 시트 상에 적어도 2개 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 압연 롤러들의 상부 롤러 및/또는 하부 롤러에는 전극 시트의 무지부들에 대응되는 위치에 상기 무지부 만을 압연하기 위한 가압부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 압연 롤러들은 가압부를 제외한 나머지 상부 롤러와 하부 롤러 사이에 제 2 압연 갭이 형성되어 있고, 상부 롤러의 가압부 및 하부 롤러의 가압부 사이, 또는 상부 롤러의 가압부와 하부 롤러 사이, 또는 하부 롤러의 가압부와 상부 롤러 사이에 제 3 압연 갭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 압연 갭의 크기는 제 1 압연 갭의 크기 대비 90% 내지 110%인 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 3 압연 갭의 크기는 제 1 압연 갭의 크기 대비 70% 내지 99.9%인 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 가압부는 무지부의 폭(w) 대비 90% 내지 100%의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 가압부는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러의 외면으로부터 외향 돌출된 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 가압부는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러의 외면에 탈착이 가능하도록 장착된 상태로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 가압부는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러의 외경 대비 95% 내지 100%의 내경을 가지는 링 형상(ring-shaped)의 금속 부재인 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 가압부는 상부 롤러 및/또는 하부 롤러에 장착된 상태에서 회전 축을 기준으로 좌측 또는 우측으로 이동이 가능한 구조인 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  12. 제 3 항에 있어서, 상기 가압부의 내부에는 무지부 상에 열을 가하기 위한 열선(heat ray)이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 전극 압연 장치는,
    전극 시트가 감겨 있는 피딩 롤; 및
    제 1 압연 롤러들과 제 2 압연 롤러들에 의해 압연된 전극 시트를 와인딩 권취하는 리와인더;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전극 압연 장치는 제 1 압연 롤러들과 제 2 압연 롤러들 사이, 또는 제 2 압연 롤러들과 리와인더 사이에 전극 시트에 장력을 인가하는 보정 롤러가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 압연 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 전극 압연 장치로 제조된 이차전지용 전극.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전극은 유연성을 위하여 전극 합체 코팅층이 도포되지 않은 무지부를 적어도 2개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  17. 제 15 항에 따른 전극을 포함하는 이차전지.
  18. 제 17 항에 따른 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스.
  19. 집전체 상에 둘 이상의 전극 합체 코팅층들이 상호 이격된 상태로 도포되어 있는 전극 시트를 압연하는 방법으로서,
    (a) 집전체의 전극 합제 코팅층을 압연하는 과정; 및
    (b) 전극 합제 코팅층이 형성되지 않은 집전체의 무지부들을 압연하는 과정;
    을 포함하고 있고,
    상기 과정(a)와 과정(b) 이후에, 전극 합체 코팅층가 위치하는 집전체 부위의 연신율과 무지부에 위치하는 집전체 부위의 연신율의 차이가 10% 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 과정(a) 이후에 과정(b)를 수행하거나, 또는 과정(b) 이후에 과정(a)를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
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