KR20170092828A - 이차전지용 집전체 호일의 이동 방향으로 서로 교번 배열되어 있는 상부 노즐 및 하부 노즐을 포함하는 건조 장치 - Google Patents

이차전지용 집전체 호일의 이동 방향으로 서로 교번 배열되어 있는 상부 노즐 및 하부 노즐을 포함하는 건조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상면에 전극 슬러리가 도포되어 있는 이차전지용 집전체 호일을 이동시키면서 열풍에 의해 전극 슬러리를 건조하는 장치로서, 집전체 호일의 상면으로부터 상향 이격되어 위치하고, 비접촉 상태로 집전체 호일의 상면에 열풍을 공급하는 복수의 상부 노즐들; 및 집전체 호일의 하면으로부터 하향 이격되어 위치하고, 집전체 호일의 이동 방향으로 상부 노즐들과 교번 배열되어 있으며, 비접촉 상태로 집전체 호일의 하면에 열풍을 공급하는 복수의 하부 노즐들;을 포함하는 건조 장치에 관한 것이다.

Description

이차전지용 집전체 호일의 이동 방향으로 서로 교번 배열되어 있는 상부 노즐 및 하부 노즐을 포함하는 건조 장치 {Drying Apparatus Comprising Upper Nozzles and Lower Nozzles Alternately Arranged Each Other in Moving Direction of Current Collector Foil for Secondary Battery}
본 발명은 이차전지용 집전체 호일의 이동 방향으로 서로 교번 배열되어 있는 상부 노즐 및 하부 노즐을 포함하는 건조 장치에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
한편, 이차전지용 전극을 제조하기 위해서는, 전극 활물질, 바인더 및 용매가 혼합되어 있는 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅 및 건조하는 과정을 거치게 된다. 이후 전극 슬러리가 도포되어 있는 집전체를 건조하고, 필요한 크기로 커팅 및 노칭하여 이차전지용 전극을 제조한다.
전극의 제조 과정 중에서 전극 슬러리를 건조하는 과정에 많은 비용 및 시간이 소요되며, 건조 과정이 전극 제조 공정의 전체적인 효율성에 영향을 미친다.
건조 공정을 보다 신속하게 진행하기 위해서, 전극 슬러리가 도포되어 있는 집전체를 더욱 빠른 속도로 이동시키는 경우에는, 집전체 상에서 전극 슬러리가 유동하여, 전극 표면에 주름을 발생시킴으로써, 전극의 불량률이 증가하는 문제가 있다.
전극 표면에 주름이 발생하면, 이차전지 제조 시 분리막과의 밀착성을 저하시킴으로써, 내부 저항 증가, 에너지 밀도가 감소되는 문제를 유발하게 된다.
따라서, 전극 슬러리가 도포되어 있는 집전체 호일을 건조 시, 건조 시간은 단축하고, 불량률은 저감시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 건조 장치 내부에서 전극 슬러리가 도포되어 있는 집전체 호일을 일측 방향으로 이동시키며, 집전체 호일의 이동방향에 대해 교번 배열되어 있는 상부 노즐들 및 하부 노즐들을 통해 비접촉 상태로 집전체 호일의 상면 및 하면에서 열풍을 공급하는 경우, 집전체 호일을 보다 신속하게 건조할 수 있고, 불량률을 저감시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 상면에 전극 슬러리가 도포되어 있는 이차전지용 집전체 호일을 이동시키면서 열풍에 의해 전극 슬러리를 건조하는 장치는, 집전체 호일의 상면으로부터 상향 이격되어 위치하고, 비접촉 상태로 집전체 호일의 상면에 열풍을 공급하는 복수의 상부 노즐들; 및 집전체 호일의 하면으로부터 하향 이격되어 위치하고, 집전체 호일의 이동 방향으로 상부 노즐들과 교번 배열되어 있으며, 비접촉 상태로 집전체 호일의 하면에 열풍을 공급하는 복수의 하부 노즐들;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
종래의 건조 장치는, 집전체 호일의 일면, 특히 상면에서만 열풍을 공급하여, 상면 측에 위치한 전극 슬러리는 건조가 빠른 반면 하면 측에 위치한 전극 슬러리의 건조에 많은 시간이 필요하여, 전체적으로는 건조 시간이 길어지는 문제가 있었다.
또한, 종래의 건조 장치 중에는, 집전체 호일의 상면 및 하면에서 열풍을 공급하기도 하였지만, 집전체 호일의 이동 방향으로 상부 노즐과 하부 노즐이 동일한 위치에 배열됨으로써, 집전체 호일의 이동 방향으로 균일하게 열풍을 공급하지 못하는 문제가 있었다.
본 발명에 따른 건조 장치는, 집전체 호일의 이동 방향으로 상부 노즐들과 하부 노즐들이 교번 배열되어 있어, 건조 과정 중에 집전체 호일의 상면 및 하면 모두에 열풍을 공급할 수 있고, 또한, 집전체 호일의 이동 방향으로 균일하게 열풍을 공급할 수 있다. 그 결과, 집전체 호일에 도포되어 있는 전극 슬러리를 더욱 신속하고 균일하게 건조할 수 있다.
상기 집전체 호일은 교번 배열되어 있는 상부 노즐들 및 하부 노즐들로부터 비접촉으로 열풍을 공급받게 되므로, 열풍을 공급받는 지점에서 열풍을 공급받는 방향으로 휘어지게 되고, 이러한 휘어짐에 의해 변곡점이 발생할 수 있다. 이러한 변곡점이 많을수록 건조장치 내에서 집전체 호일이 상면 방향 및 하면 방향으로 휘어지는 유동이 많이 발생하고, 따라서, 건조 후 전극 표면에 주름이 발생할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 상부 노즐들 및 하부 노즐들로부터 각각 공급되는 열풍에 의해, 집전체 호일은 건조 장치 내에서 이동 방향으로 2개 내지 8개의 변곡점을 가질 수 있고, 상세하게는, 2개 내지 6개일 수 있다.
상기 변곡점의 개수가 2개 미만인 경우에는 집전체 호일에 균일하게 열풍을 공급하기 어렵고, 8개 초과인 경우에는 건조 후 전극 표면에 주름이 발생할 수 있다.
이때, 상기 집전체 호일의 변곡점의 개수는 하기 식 1을 만족할 수 있으며, 이 경우, 전극 슬러리를 신속하게 건조할 수 있음은 물론이고, 건조 과정에서 집전체 호일의 상하 유동이 적어 건조 후에도 전극 표면에 주름이 발생하는 것을 가장 효과적으로 방지할 수 있다.
변곡점의 수 = n+m-1 (1)
상기 식에서, n은 상부 노즐들의 개수이고 m은 하부 노즐들의 개수이다.
한편, 상기 상부 노즐들 및 하부 노즐들의 개수는, 전극 슬러리의 표면 및 내부의 건조 효율에 따라 변동될 수 있으며, 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상세하게는, 집전체 호일의 하면에서 열풍을 공급하는 경우 집전체 호일의 상면에 도포되어 있는 전극 슬러리의 내부 온도를 증가시킴으로써 건조 효율을 증가시킬 수 있다. 다만, 본 발명에 따르면, 집전체 호일의 상면에서 열풍을 공급하는 것이 하면에서 열풍을 공급하는 것보다 건조 효율성이 높으며, 따라서, 상기 상부 노즐들의 개수는 하부 노즐들의 개수보다 1개 더 많을 수 있다.
상기 상부 노즐들의 개수가 하부 노즐들의 개수보다 2개 이상 차이 나는 경우에는, 상면과 하면의 열풍 공급량의 차이로 전극 슬러리의 내부를 건조하는데 더 많은 시간이 소요되므로, 오히려 건조 효율성이 저하되고, 건조 과정에서 집전체 호일에 변곡점이 형성되는 위치 등에 영향을 미치므로, 주름이 더 많이 발생하여 불량률을 증가시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 슬러리는 전극 활물질, 바인더 및 용매 등을 포함할 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시일 뿐이며, 상기 전극 슬러리는 필요에 따라, 충진제 및 도전재 등의 기타 첨가물을 더 포함할 수 있음은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 상부 노즐들 사이의 간격 또는 하부 노즐들 사이의 간격은 1,600 mm 내지 3,000 mm일 수 있고, 상세하게는, 1,800 mm 내지 2,400 mm일 수 있다. 노즐들 간격이 1,600 mm 미만인 경우에는, 단위 거리 당 집전체 호일에 변곡점이 더 많이 발생할 수 있어 건조 후 전극 표면에 주름이 발생할 가능성이 높고, 3,000 mm 초과인 경우에는, 집전체 호일 전체에 균일하게 열풍을 공급하기 어려워서 건조 시간이 지연될 수 있다.
상기 상부 노즐들 사이의 간격은 하부 노즐들 사이의 간격과 동일하며, 인접한 상부 노즐들 사이의 대응하는 부위에 위치되어 있는 하부 노즐은 상기 인접한 상부 노즐들 각각에 대해 동일한 간격으로 이격되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 집전체 호일의 이동 방향을 기준으로 상부 노즐들과 하부 노즐들이 동일한 간격으로 교번 배열되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조를 통해, 집전체 호일에 더욱 균일하게 열풍을 공급할 수 있다.
한편, 상기 상부 노즐 및 하부 노즐은, 가열기로부터 열풍이 도입되는 후방 도입부; 하기 후방 도입부로부터 열풍의 진행 방향으로 내경이 작아지는 구조로 이루어져 있고, 열풍이 분사되는 전방 개구가 구비되어 있는 노즐 하우징; 및 상기 전방 개구에 인접한 위치에서 노즐 하우징의 내부에 장착되어 있고, 후방 도입부로부터 도입된 열풍이 전방 개구의 내주면 부위를 따라 분산된 상태로 분사되도록 열풍의 진행 방향을 분할하는 내부 분할부재;를 포함하는 구조일 수 있다.
상세하게는, 상기 노즐 하우징은, 열풍이 직진하는 공간을 제공하는 직선부와, 전방 개구를 향해 내경이 작아지는 테이퍼부를 포함하고 있고; 상기 내부 분할부재는 테이퍼부에 대응하는 노즐 하우징의 내부 공간에 위치할 수 있다.
상기 내부 분할부재에 의해 열풍을 분산된 상태로 분사할 수 있으므로, 집전체 호일에 더욱 균일하게 열풍을 공급하여, 건조 효율성을 증가 시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 상부 노즐의 전방 개구의 폭과 하부 노즐의 전방 개구의 폭은 동일한 구조일 수 있으며, 이러한 구조를 통해 집전체 호일의 상면과 하면에 공급되는 열풍의 양을 균등하게 조절할 수 있다.
상기 상부 노즐의 전방 개구의 폭과 하부 노즐의 전방 개구의 폭은 각각 200 mm 내지 400 mm일 수 있고, 상세하게는, 200 mm 내지 300 mm일 수 있다. 전방 개구의 폭이 200 mm 미만이면 집전체 호일의 일부에만 열풍이 집중적으로 공급될 수 있고, 동일한 양의 열풍을 공급하는 경우 풍속이 빨라져서 집전체 호일의 상하 변동성이 증가하여 전극 표면에 주름이 발생할 수 있다. 전방 개구의 폭이 400 mm 초과이면 집전체 호일 상에서 원하는 부위에 정확하게 열풍을 공급하기 어렵고, 열풍이 분산되어 건조 효율이 저하될 수 있다.
다만, 상기 노즐의 전방 개구의 폭은 건조 장치의 다른 조건에 따라 유동적으로 변경될 수 있으며, 특히, 노즐들 사이의 간격에 따라 변경될 수 있다.
상세하게는, 상기 집전체 호일의 일측에 위치한 노즐들 사이의 간격과 노즐의 전방 개구의 폭은 하기 식 2를 만족할 수 있다.
4.0 < d/w < 15.0 (2)
상기 식에서, d는 노즐들 사이의 간격이고, w는 노즐의 전방 개구의 폭이다.
더욱 상세하게는, 상기 집전체 호일의 일측에 위치한 노즐들 사이의 간격과 노즐의 전방 개구의 폭은 하기 식 3을 만족할 수 있다.
6.0 < d/w < 10.0 (3)
상기 d와 w가 상기 범위를 벗어나는 경우에는, 건조 효율이 감소하거나, 건조 후 전극 표면에 주름이 발생할 수 있다.
한편, 상기 집전체 호일의 두께는 4 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있으며, 4 ㎛미만인 경우에는 건조 과정에서 집전체 호일에 작용하는 장력에 의해 단절될 수 있고, 20 ㎛ 초과인 경우에는 집전체 호일의 하면에서 열풍을 공급하더라도 전극 슬러리 내부에 열 전달이 쉽지 않아 건조가 지연될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 집전체 호일에 작용하는 장력의 크기는 100 N 내지 300 N일 수 있고, 상세하게는, 150 N 내지 250 N일 수 있다. 상기 집전체 호일에 작용하는 장력의 크기가 100 N 미만인 경우에는 열풍에 의해 집전체 호일의 상하 변동성이 증가하여 건조 후 주름이 발생할 수 있고, 300 N 초과인 경우에는 건조 과정에서 집전체 호일이 단절 될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 노즐들에서 열풍이 분사되는 압력은 160 kpa 내지 240 kpa일 수 있고, 상세하게는 180 kpa 내지 220 kpa일 수 있다. 상기 압력이 160 kpa 미만인 경우에는 집전체 호일에 공급되는 열풍의 양이 너무 적어서 건조 시간이 길어질 수 있고, 240 kpa 초과인 경우에는 열풍에 의해 집전체 호일의 상하 변동성이 증가하여 건조 후 주름이 발생할 수 있다.
본 발명은 또한, 이차전지용 전극을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은,
(a) 집전체 호일이 권취되어 있는 집전체 롤을 풀어주는 언와인딩(unwinding) 과정;
(b) 상기 집전체 호일의 상면에 전극 슬러리를 도포하는 과정; 및
(c) 건조 장치 내부에서 상기 전극 슬러리가 도포된 집전체 호일을 일측 방향으로 이동시키며, 집전체 호일의 이동방향에 대해 교번 배열되어 있는 상부 노즐들 및 하부 노즐들을 통해 비접촉 상태로 집전체 호일의 상면 및 하면에서 열풍을 공급하여 건조하는 과정;을 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(c) 이후에 하기 과정(d)를 더 포함할 수 있다.
(d) 상기 건조 장치로부터 건조가 완료된 집전체 호일을 권취하는 과정.
상기 과정(a)의 언와인딩 속도와 및 과정(d)의 와인딩 속도를 조절하여, 집전체 호일의 건조 시간, 이동 속도 및 장력을 제어할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 제조 방법에 따라 제조되는 이차전지용 전극을 제공하며, 또한, 상기 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
이하, 상기 이차전지의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 포함하고 있고, 상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 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, LiV3O4, 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 도전재의 전체 함량은 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 3.0 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 양극에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 3.0 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-부타디엔 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.
반면에, 음극은 음극 집전체에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 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.
본 발명에서 음극 집전체의 두께는 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 음극 활물질은, 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.
하나의 구체적인 예에서, 상기 다공성 기재는, 당업계에서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀 계열 분리필름 일 수 있고, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 및 이들의 혼합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 시트일 수 있다.
상기 다공성 기재의 기공 크기 및 기공도는 특별한 제한이 없으나, 기공도는 10 내지 95% 범위, 기공 크기(직경)는 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.1 ㎛ 및 10% 미만인 경우에는 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50 ㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵게 된다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 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, 테트라히드록시푸란, 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 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 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 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해질에는 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 비수 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 이러한 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩, 및 이러한 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 건조 장치는, 건조 장치 내부에서 전극 슬러리가 도포된 집전체 호일을 일측 방향으로 이동시키며, 집전체 호일의 이동방향에 대해 교번 배열되어 있는 상부 노즐들 및 하부 노즐들을 통해 비접촉 상태로 집전체 호일의 상면 및 하면에서 열풍을 공급하는 경우, 집전체 호일을 보다 신속하고 균일하게 건조할 수 있고, 불량률을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극을 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다;
도 2 및 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건조 장치를 나타낸 모식도들이다;
도 4는 도 3의 건조 장치에 포함되는 노즐의 구조를 모식적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 5는 도 4의 노즐에서 열풍의 이동 경로를 나타낸 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 이차전지용 전극을 제조하는 방법을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전극의 제조 방법은, 언와인딩 장치(100), 도포 장치(200), 건조 장치(300), 및 와인딩 장치(400)를 이용하여, 전극을 제조한다.
구체적으로, 언와인딩 장치(100)를 이용하여 집전체 호일(110)이 권취되어 있는 집전체 롤을 시계 방향으로 풀어준다.
다음으로, 도포 장치(200)를 이용하여 집전체 호일(110)의 상면에 전극 슬러리를 도포한다.
도포가 완료된 후, 전극 슬러리에 포함되어 있는 용매를 증발시키기 위하여 건조 장치(300)를 이용한다. 건조 장치(300) 내부에서 전극 슬러리가 도포된 집전체 호일(110)을 우측 방향으로 이동시키며, 집전체 호일(100)의 이동방향에 대해 교번 배열되어 있는 상부 노즐들(도시하지 않음) 및 하부 노즐들(도시하지 않음)을 통해 비접촉 상태로 집전체 호일(110)의 상면 및 하면에서 열풍을 공급하여 건조한다.
다음으로, 와인딩 장치(400)를 이용하여 건조가 완료된 집전체 호일(110)을 시계방향으로 권취한다. 이때, 언와인딩 장치(100)와 와인딩 장치(400)의 회전 속도를 조절하여, 집전체 호일(110)의 이동 속도 및 장력을 제어 할 수 있다.
도 2 및 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건조 장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 건조 장치(300)은 3개의 상부 노즐들(310, 320, 330) 및 2개의 하부 노즐들(340, 350)을 포함하고 있고, 상면에 전극 슬러리가 도포되어 있는 집전체 호일(110)은 좌측에서 우측으로 이동하며 건조된다.
집전체 호일(110)의 이동 방향인 수평 방향을 기준으로, 상부 노즐들(310, 320, 330)과 하부 노즐들(340, 350)이 교번 배열되어 있다. 즉, 좌측으로부터 우측으로, 상부 노즐(310), 하부 노즐(340), 상부 노즐(320), 하부 노즐(340), 및 상부 노즐(330)의 순서로 배열되어 있다.
이러한 구조를 통해, 건조 과정 중에 집전체 호일(110)의 상면 및 하면 모두에 열풍을 공급할 수 있고, 또한, 집전체 호일(110)의 이동 방향으로 균일하게 열풍을 공급하여, 전극 슬러리를 더욱 신속하게 건조할 수 있다.
또한, 상부 노즐들(310, 320, 330) 사이의 간격은 하부 노즐들(340, 350) 사이의 간격과 동일하며, 인접한 상부 노즐들(310, 320) 사이의 대응하는 부위에 위치되어 있는 하부 노즐(340)은 상기 인접한 상부 노즐들(310, 320) 각각에 대해 동일한 간격으로 이격되어 있다. 이러한 구조를 통해, 집전체 호일(110) 전체에 균일하게 열풍을 공급할 수 있다.
이때, 집전체 호일(110)은 건조 장치(300) 내에서 이동 방향으로 4개의 변곡점(111, 112, 113, 114)을 가진다. 이는 상부 및 하부 노즐들(310, 320, 330, 340, 350)의 개수에 대해서, 전극 슬러리를 가장 신속하게 건조할 수 있고, 건조 과정에서 집전체 호일(110)의 상하 유동이 적어 건조 후에도 전극 표면에 주름이 발생하는 것을 가장 효과적으로 방지할 수 있는 변곡점의 개수이다.
또한, 건조 효율을 더욱 증가 시키고, 건조 후 전극 표면에 주름 발생을 방지하기 위해서는, 집전체 호일(110)의 일측에 위치하는 노즐들(310, 320) 사이의 거리(d)와 노즐의 전방 개구의 폭(w)에 대해서, 4.0 < d/w < 15.0의 관계를 만족하는 것이 필요하다.
도 4에는 도 3의 건조 장치에 포함되는 노즐의 구조를 모식적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 노즐에서 열풍의 이동 경로를 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 노즐(310)은 후방 도입부(311), 노즐 하우징(312), 내부 분할부재(313) 및 전방 개구(316)를 포함하고 있다.
구체적으로, 후방 도입부(311)은 가열기(도시하지 않음)로부터 열풍이 도입되도록 연통되어 있는 구조이다.
노즐 하우징(312)은 후방 도입부(311)로부터 열풍이 유입되며, 열풍이 직진하는 공간인 직선부(314) 및 전방 개구(316)을 향해 내경이 작아지는 테이퍼부(315)를 포함하고 있다.
테이퍼부(315)에 대응하는 노즐 하우징(312)의 내부 공간에 내부 분할부재(313)가 장착되어 있으며, 내부 분할부재(313)는 후방 도입부(311)로부터 도입된 열풍이 전방 개구(316)의 내주면 부위를 따라 분산된 상태로 분사되도록 열풍의 진행 방향을 분할하는 역할을 한다.
내부 분할부재(313)에 의해 열풍을 분산된 상태로 분사할 수 있으므로, 집전체 호일(110)에 더욱 균일하게 열풍을 공급하여, 건조 효율성을 증가 시킬 수 있다.
이상 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 상면에 전극 슬러리가 도포되어 있는 이차전지용 집전체 호일을 이동시키면서 열풍에 의해 전극 슬러리를 건조하는 장치로서,
    집전체 호일의 상면으로부터 상향 이격되어 위치하고, 비접촉 상태로 집전체 호일의 상면에 열풍을 공급하는 복수의 상부 노즐들; 및
    집전체 호일의 하면으로부터 하향 이격되어 위치하고, 집전체 호일의 이동 방향으로 상부 노즐들과 교번 배열되어 있으며, 비접촉 상태로 집전체 호일의 하면에 열풍을 공급하는 복수의 하부 노즐들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 노즐들 및 하부 노즐들로부터 각각 공급되는 열풍에 의해, 집전체 호일은 건조 장치 내에서 이동 방향으로 2개 내지 8개의 변곡점을 가지는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 집전체 호일의 변곡점의 개수는 2개 내지 6개인 것읕 특징으로 하는 건조 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 집전체 호일의 변곡점의 개수는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 건조 장치:
    변곡점의 수 = n+m-1 (1)
    상기 식에서, n은 상부 노즐들의 개수이고 m은 하부 노즐들의 개수이다.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 노즐들 및 하부 노즐들의 개수는 서로 동일하거나 상이한 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 상부 노즐들의 개수는 하부 노즐들의 개수보다 1개 더 많은 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 슬러리는 전극 활물질, 바인더 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 노즐들 사이의 간격 또는 하부 노즐들 사이의 간격은 1,600 mm 내지 3,000 mm인 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 노즐들 사이의 간격은 하부 노즐들 사이의 간격과 동일하며, 인접한 상부 노즐들 사이의 대응하는 부위에 위치되어 있는 하부 노즐은 상기 인접한 상부 노즐들 각각에 대해 동일한 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 노즐 및 하부 노즐은,
    가열기로부터 열풍이 도입되는 후방 도입부;
    하기 후방 도입부로부터 열풍의 진행 방향으로 내경이 작아지는 구조로 이루어져 있고, 열풍이 분사되는 전방 개구가 구비되어 있는 노즐 하우징; 및
    상기 전방 개구에 인접한 위치에서 노즐 하우징의 내부에 장착되어 있고, 후방 도입부로부터 도입된 열풍이 전방 개구의 내주면 부위를 따라 분산된 상태로 분사되도록 열풍의 진행 방향을 분할하는 내부 분할부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 노즐 하우징은, 열풍이 직진하는 공간을 제공하는 직선부와, 전방 개구를 향해 내경이 작아지는 테이퍼부를 포함하고 있고;
    상기 내부 분할부재는 테이퍼부에 대응하는 노즐 하우징의 내부 공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 상부 노즐의 전방 개구의 폭과 하부 노즐의 전방 개구의 폭은 동일한 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 상부 노즐의 전방 개구의 폭과 하부 노즐의 전방 개구의 폭은 각각 200 mm 내지 400 mm인 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 호일의 일측에 위치한 노즐들 사이의 간격과 노즐의 전방 개구의 폭은 하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 건조 장치:
    4.0 < d/w < 15.0 (2)
    상기 식에서, d는 노즐들 사이의 간격이고, w는 노즐의 전방 개구의 폭이다.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 호일의 두께는 4 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 호일에 작용하는 장력의 크기는 100 N 내지 300 N인 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐들에서 열풍이 분사되는 압력은 160 kpa 내지 240 kpa인 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  18. 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
    (a) 집전체 호일이 권취되어 있는 집전체 롤을 풀어주는 언와인딩(unwinding) 과정;
    (b) 상기 집전체 호일의 상면에 전극 슬러리를 도포하는 과정; 및
    (c) 건조 장치 내부에서 상기 전극 슬러리가 도포되어 있는 집전체 호일을 일측 방향으로 이동시키며, 집전체 호일의 이동방향에 대해 교번 배열되어 있는 상부 노즐들 및 하부 노즐들을 통해 비접촉 상태로 집전체 호일의 상면 및 하면에서 열풍을 공급하여 건조하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 과정(c) 이후에 하기 과정(d)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (d) 상기 건조 장치로부터 건조가 완료된 집전체 호일을 권취하는 과정.
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