KR20170044323A - 이차전지의 제작방법 - Google Patents

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KR20170044323A
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Abstract

본 발명은 전극 시트의 표면적을 증가시키기 위한 이차전지의 제작방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전극 시트를 이송시키는 이송 단계, 이송되는 상기 전극 시트를 가열하는 가열 단계, 가열된 상기 전극 시트의 표면에 소정 형상의 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계, 패턴이 형성된 상기 전극 시트를 냉각시키는 냉각 단계 및 패턴이 형성된 상기 전극 시트 표면에 활물질을 도포하는 도포 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지의 제작방법{MANUFACTURING METHOD FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지의 제작방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전극 시트의 표면적을 증가시키기 위한 이차전지의 제작방법에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다.
이러한 이차전지는 하나의 전지 셀이 팩으로 포장된 형태 또는 전지 셀을 수십 개 연결한 팩 형태로 제작되어 휴대폰, 노트북, 및 전기 자동차의 모터 구동용 전원 등으로 널리 사용되고 있다.
이차전지의 전극은 활물질 및 도전재가 혼합되어 있는 전극 슬러리(slurry)를 전극 시트 위에 도포하고, 고온의 상태로 건조한 뒤 프레싱 과정을 거쳐 제작된다.
전극 생산용 슬롯 다이 코터는 전극 슬러리를 전극 시트 위에 도포하기 위한 장치이다.
슬롯 다이 코터라 함은 유동성이 있는　액상의 유체(슬러리, 점착제, Hard Coating제, 세라믹 등)를　무맥동 펌프 또는 피스톤 펌프에 의해 상부 및 하부 슬롯 다이 사이로 공급하여, 액 공급 파이프로부터 공급받은 유체를 원단, 필름, 유리(Glass) 판, 시트(Sheet) 등의 피코팅물 진행방향의 폭 방향으로 일정한 두께로 코팅하는 장치를 말한다.
도 1은 종래의 슬롯 다이 코터를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전극 생산용 슬롯 다이 코터(100)는 슬롯 다이 코터를 전극 생산용으로 적용한 것으로서, 이차 전지의 전극을 만들기 위해 공급 유체인 전극 슬러리(111)를 전극 시트(110) 위에 도포하는 장치를 말한다.
이러한 다이 코터를 사용하여 활물질 슬러리를 전극 시트 위에 코팅하는 종래 기술이 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0039286호에 공지되어 있다.
종래의 기술은 전극 시트 표면이 매끈하고 거칠지 않아 겉보기 면적과 실제 표면적이 비슷하다.
하지만, 활물질을 전극 시트에 코팅할 경우 활물질과 닿는 전극 시트 표면의 실제 접촉면은 겉보기 면적에 비해 작아 활물질을 코팅하기 위한 충분한 면적을 확보할 수 없어 활물질의 접착력이 약하다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 전극 시트에 활물질을 도포할 수 있는 실제 접촉면을 충분히 확보할 수 있는 이차전지의 제작방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이차전지의 제작방법은 전극 시트를 이송시키는 이송 단계, 이송되는 상기 전극 시트를 가열하는 가열 단계, 가열된 상기 전극 시트의 표면에 소정 형상의 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계, 패턴이 형성된 상기 전극 시트를 냉각시키는 냉각 단계 및 패턴이 형성된 상기 전극 시트 표면에 활물질을 도포하는 도포 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가열 단계는 전기 히터에 의해 가열할 수 있다.
상기 가열 단계와 상기 패턴 형성 단계는 동시에 수행될 수 있다.
상기 가열 단계는 40℃ ~ 80℃의 온도로 상기 전극 시트를 가열할 수 있다.
상기 가열 단계와 상기 패턴 형성 단계에서는 히팅 박스 내부에 설치되는 패턴 형성용 롤러가 고온의 환경 속에서 상기 전극 시트에 패턴을 형성할 수 있다.
상기 냉각 단계에서는 수냉방식 또는 공냉방식 중 적어도 하나에 의해 상기 전극 시트를 냉각시킬 수 있다.
상기 패턴 형성 단계는 상기 전극 시트에 음각 패턴을 형성할 수 있다.
상기 패턴 형성 단계는 둘레에 소정의 형상의 패턴이 돌출된 패턴 형성용 롤러를 사용하여 상기 전극 시트에 상기 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극 시트에 소정의 패턴을 형성하여 활물질이 도포되는 접촉면을 최대화하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 전극 시트에 활물질이 도포되는 접촉면을 충분히 확보하여 활물질의 접착력을 증가시키는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 고온 환경에서 전극 시트에 패턴을 형성하기 때문에 작은 힘으로도 패턴 형성이 가능하게 하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 고온 환경에서 전극 시트에 패턴을 형성하기 때문에 패턴 형성의 정교성을 증가시키는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 고온 환경에서 전극 시트에 패턴을 형성한 직후 전극 시트를 냉각하기 때문에 전극 시트를 견고하게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 슬롯 다이 코터를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제작방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제작 공정을 도시한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러에서 패턴이 보이도록 도시한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러에서 패턴이 보이도록 도시한 정면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러에서 패턴이 보이도록 도시한 정면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러에서 패턴이 보이도록 도시한 정면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 제작 공정을 도시한 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 본 명세서에 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제작방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제작방법은 이송 단계(S1), 가열 단계(S2), 패턴 형성 단계(S3), 냉각 단계(S4) 및 도포 단계(S5)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제작 공정을 도시한 공정도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 이송 단계(S1)는 이차전지의 전극을 제작하기 위한 전극 시트(10)를 이송하는 단계이다.
본 발명에서는 상기 전극 시트(10)를 구리(Cu) 소재의 동박(copper foil)을 일실시예로 하여 설명한다.
하지만, 상기 전극 시트(10)를 동박으로 한정하는 것은 아니며, 이차전지의 전극을 제작하기 위한 소재라면 동박 이외에 알루미늄(Al) 등과 같은 다른 소재를 사용할 수도 있다.
그리고 전극 시트(10)의 이송 방법을 일 실시예를 들어 설명하면 복수 개의 이송용 롤러(3)를 사용하여 이송할 수 있다.
하지만, 전극 시트(10)의 이송 방법을 이송용 롤러(3)에 한정하는 것은 아니며 경우에 따라 일반적으로 사용되는 다른 이송수단을 사용할 수도 있다.
상기 가열 단계(S2)는 상기 이송 단계(S1)에서 이송되는 전극 시트(10)를 가열하기 위한 단계이다.
이러한 가열 단계(S2)는 이송되는 전극 시트(10)가 이송 중에 히팅 박스(20)에 의해 가열되게 할 수 있다.
히팅 박스(20)는 하우징 내부에 전기 히터 등과 같은 일반적인 가열장치가 설치되어 전극 시트(10)를 가열시킬 수 있다.
상기 패턴 형성 단계(S3)는 상기 가열 단계(S2)에서 가열된 전극 시트(10)에 일정 형상의 패턴(31)을 형성하기 위한 단계이다.
이때, 상기 가열 단계(S2)는 상기 패턴 형성 단계(S3)에서 전극 시트(10)에 패턴(31)을 원활하게 형성할 수 있도록 전극 시트(10)를 40℃ ~ 80℃의 온도로 가열한다.
즉, 전극 시트(10)가 가열된 상태에서 전극 시트(10)에 일정 형상의 패턴(31)을 형성하게 되면 상온 상태의 전극 시트(10)에 패턴(31)을 형성하는 것보다 작은 압력으로 패턴(31)을 형성할 수 있으며, 또한 형성된 패턴(31)의 정교성이 증가하게 된다.
여기서 전극 시트(10)를 40℃ 미만으로 가열하게 되면 전극 시트(10)가 충분히 가열되지 않아 가열 효과가 없으며, 80℃를 초과하여 가열하게되면 전극 시트(10)가 변질되어 전극 시트(10)로서의 기능을 잃게된다.
그리고 패턴 형성 단계(S3)에서 전극 시트(10)에 패턴(31)을 형성하기 위해서 소정 형상의 패턴(31)이 전극 시트(10)와의 접촉면에 형성되는 패턴 형성용 롤러(30)를 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러에서 패턴이 보이도록 도시한 정면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러(30)는 롤러의 둘레 표면에 복수 개의 점무늬가 양각으로 배열되고, 이러한 패턴 형성용 롤러(30)가 전극 시트(10) 이송 공정 중에 배치되어 전극 시트(10)의 동박 표면에 소정의 패턴(31)을 음각으로 형성하도록 할 수 있다.
즉, 전극 시트(10) 이송 공정 중에 배치된 패턴 형성용 롤러(30)가 전극 시트(10)와 접촉하면서 패턴 형성용 롤러(30)의 표면에 양각으로 형성된 점무늬가 이송되는 전극 시트(10)의 동박 표면을 압박하면서 전극 시트(10)의 표면에 연속적으로 점무늬를 음각으로 형성한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러에서 패턴이 보이도록 도시한 정면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러(30)는 롤러의 둘레 표면에 복수 개의 다각형 무늬가 양각으로 배열되고, 이러한 패턴 형성용 롤러(30)가 이송되는 전극 시트(10)의 공정 중에 배치되어 전극 시트(10)의 동박 표면에 소정의 패턴(31)을 음각으로 형성하도록 할 수 있다.
즉, 전극 시트(10) 이송 공정 중에 배치된 패턴 형성용 롤러(30)가 전극 시트(10)와 접촉하면서 패턴 형성용 롤러(30)의 표면에 양각으로 형성된 다각형 무늬가 이송되는 전극 시트(10)의 동박 표면을 압박하면서 전극 시트(10)의 표면에 연속적으로 다각형 무늬를 음각으로 형성한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러에서 패턴이 보이도록 도시한 정면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러(30)는 롤러의 둘레 표면에 격자형 무늬가 양각으로 형성되고, 이러한 패턴 형성용 롤러(30)가 이송되는 전극 시트(10)의 공정 중에 배치되어 전극 시트(10)의 동박 표면에 소정의 패턴(31)을 음각으로 형성하도록 할 수 있다.
즉, 전극 시트(10) 이송 공정 중에 배치된 패턴 형성용 롤러(30)가 전극 시트(10)와 접촉하면서 패턴 형성용 롤러(30)의 표면에 양각으로 형성된 격자형 무늬가 이송되는 전극 시트(10)의 동박 표면을 압박하면서 전극 시트(10)의 표면에 연속적으로 격자형 무늬를 음각으로 형성한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러에서 패턴이 보이도록 도시한 정면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성용 롤러(30)는 롤러의 둘레 표면에 복수 개의 사선형 무늬가 양각으로 형성되고, 이러한 패턴 형성용 롤러(30)가 이송되는 전극 시트(10)의 공정 중에 배치되어 전극 시트(10)의 동박 표면에 소정의 패턴(31)을 음각으로 형성하도록 할 수 있다.
즉, 전극 시트(10) 이송 공정 중에 배치된 패턴 형성용 롤러(30)가 전극 시트(10)와 접촉하면서 패턴 형성용 롤러(30)의 표면에 양각으로 형성된 사선형 무늬가 이송되는 전극 시트(10)의 동박 표면을 압박하면서 전극 시트(10)의 표면에 연속적으로 사선형 무늬를 음각으로 형성한다.
상술한 본 발명의 다양한 실시예와 같이 전극 시트(10)의 동박 표면에 물리적으로 소정 형상의 패턴(31)을 형성함에 따라 동박 표면의 전체 표면적이 넓어져 활물질을 도포할 수 있는 충분한 면적을 확보하여 전극 접착력을 증가시킨다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 제작 공정을 도시한 공정도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가열 단계(S2)와 상기 패턴 형성 단계(S3)는 상기 가열 단계(S2)를 먼저 수행한 후에 상기 패턴 형성 단계(S3)를 나중에 수행할 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 가열 단계(S2)와 상기 패턴 형성 단계(S3)를 동시에 수행할 수도 있다.
여기서 상기 가열 단계(S2)와 상기 패턴 형성 단계(S3)를 동시에 수행하게 되면 이차전지의 제작 공정의 길이를 최소화할 수 있고, 또한 전극 시트(10)의 가열 온도를 40℃ ~ 70℃의 온도로 가열해도 상기 가열 단계(S2)와 상기 패턴 형성 단계(S3)를 순차적으로 수행하였을 경우와 동일한 효과를 기대할 수 있다.
즉, 상기 가열 단계(S2)와 상기 패턴 형성 단계(S3)를 동시에 수행할 시에는 히팅 박스(20) 내부에 패턴 형성용 롤러(30)를 설치하여 전극 시트(10)가 가열과 동시에 패턴 형성용 롤러(30)에 의해 패턴이 형성되기 때문에 상기 가열 단계(S2)와 상기 패턴 형성 단계(S3)를 분리하여 수행할 때보다 작은 온도로도 전극 시트(10)에 패턴을 형성할 수 있는 충분한 온도 조건을 성립할 수 있다.
여기서 가열 온도가 40℃ 미만일 시에는 전극 시트(10)가 충분히 가열되지 않아 전극 시트(10)에 패턴을 형성하기 위한 가열 효과가 없고, 가열 온도가 70℃ 초과시에는 가열 온도가 40℃ ~ 70℃ 일때에 비해 전극 시트(10)에 패턴을 형성하기 위해 가열하는 효과에 차이가 없어 에너지 낭비이며 전극 시트(10)의 변질 위험이 있다.
상기 냉각 단계(S4)는 패턴(31)이 형성된 전극 시트(10)를 냉각시키기 위한 단계이다.
즉, 냉각 단계(S4)는 고온의 환경에서 전극 시트(10)에 패턴(31)을 형성한 직후 전극 시트(10)를 냉각하여 전극 시트(10)에 형성된 패턴(31)이 견고하게 유지되도록 한다.
이러한 냉각 단계(S4)는 전극 시트(10) 이송 공정 중에서 패턴 형성용 롤러(30)의 하류 측에 냉각 장치(40)가 배치되어 전극 시트(10)를 냉각시킨다.
상기 냉각 장치(40)는 공기에 의해 전극 시트(10)를 냉각시키는 공랭식이거나, 물에 의해 전극 시트(10)를 냉각시키는 수냉식을 사용할 수 있으며, 상기 공랭식 또는 수냉식 냉각 장치는 이미 공지된 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
또한, 냉각 장치(40)는 상기 공랭식 또는 수냉식에 의한 방식에 한정되지 않으며, 필요에 따라 상술한 방식 이외에 일반적으로 사용되는 냉각 장치를 사용할 수도 있다.
상기 도포 단계(S5)는 패턴(31)이 형성된 전극 시트(10) 표면에 활물질을 도포하기 위한 단계이다.
전극 시트(10)가 음극을 제작하기 위한 전극 시트일 경우 동박으로 형성되며, 동박에는 음극 활물질인 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등이 도포된다.
그리고 전극 시트(10)가 양극을 제작하기 위한 전극 시트일 경우 알루미늄 판으로 형성되며, 알루미늄 판에는 양극 활물질인 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물 등이 도포된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 전극 시트에 소정의 패턴을 형성하여 활물질이 도포되는 접촉면을 최대화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전극 시트에 활물질이 도포되는 접촉면을 충분히 확보하여 활물질의 접착력을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고온 환경에서 전극 시트에 패턴을 형성하기 때문에 작은 힘으로도 패턴 형성이 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고온 환경에서 전극 시트에 패턴을 형성하기 때문에 패턴 형성의 정교성을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고온 환경에서 전극 시트에 패턴을 형성한 직후 전극 시트를 냉각하기 때문에 전극 시트를 견고하게 하는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 이차전지의 제작방법을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
3: 이송용 롤러
10: 전극 시트
20: 히팅 박스
30: 패턴 형성용 롤러
31: 패턴
40: 냉각 장치

Claims (8)

  1. 전극 시트를 이송시키는 이송 단계(S1);
    이송되는 상기 전극 시트를 가열하는 가열 단계(S2);
    가열된 상기 전극 시트의 표면에 소정 형상의 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계(S3);
    패턴이 형성된 상기 전극 시트를 냉각시키는 냉각 단계(S4); 및
    패턴이 형성된 상기 전극 시트 표면에 활물질을 도포하는 도포 단계(S5); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 단계(S2)는 전기 히터에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 단계(S2)와 상기 패턴 형성 단계(S3)는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
  4. 청구항 1 내지 3에 있어서,
    상기 가열 단계(S2)는 40℃ ~ 80℃의 온도로 상기 전극 시트를 가열하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 가열 단계(S2)와 상기 패턴 형성 단계(S3)에서는 히팅 박스 내부에 설치되는 패턴 형성용 롤러가 고온의 환경 속에서 상기 전극 시트에 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 단계(S4)에서는 수냉방식 또는 공냉방식 중 적어도 하나에 의해 상기 전극 시트를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 형성 단계(S3)는 상기 전극 시트에 음각 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 패턴 형성 단계(S3)는 둘레에 소정의 형상의 패턴이 돌출된 패턴 형성용 롤러를 사용하여 상기 전극 시트에 상기 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
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