KR20180001324A

KR20180001324A - 이차전지 분리막 제조 방법 및 제조 장치

Info

Publication number: KR20180001324A
Application number: KR1020160080306A
Authority: KR
Inventors: 김준섭; 이영철
Original assignee: (주)피엔티
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2018-01-04
Also published as: KR101858566B1

Abstract

이차전지 분리막(separator)의 제조 방법 및 제조 장치가 개시된다. 개시된 이차전지 분리막 제조 장치는, 끊김 없이 진행하는 이형 필름의 상측면에 바인더에 무기물 입자가 혼합되어 형성된 코팅액을 도포하는 제1 슬롯 다이 코터, 이형 필름의 상측면에 도포된 코팅액 위에 끊김 없이 진행하는 다공성 필름이 적층되도록, 이형 필름과 다공성 필름을 합지하는 합지 롤러, 이형 필름과 합지된 다공성 필름의 상측면에 제1 슬롯 다이 코터가 도포하는 코팅액과 동종의 코팅액을 도포하는 제2 슬롯 다이 코터, 및 다공성 필름의 아래와 위에 적층된 코팅액을 경화하여, 다공성 필름과, 다공성 필름의 양 측면에 형성된 다공성 코팅층을 구비한다.

Description

이차전지 분리막 제조 방법 및 제조 장치{Method and apparatus for manufacturing separator of secondary battery}

본 발명은 이차전지용 분리막(separator)의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.

이차전지는 에너지 밀도가 높고, 작동 전압이 높을 뿐만 아니라, 우수한 보존 및 수명 특성을 보이는 등 많은 장점을 가지고 있어, 개인용 컴퓨터, 캠코더, 휴대용 전화기, 휴대용 CD 플레이어, PDA 등 각종 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있다. 이차전지의 예로서 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 전지 등이 있는데, 리튬 이차전지가 다른 종류의 이차전지에 비해 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 갖도록 제조할 수 있어 많은 분야에서 사용되고 있다.

리튬 이차전지는 전해질이 채워진 케이스(case)와, 상기 케이스 내부에 수용된 전극 조립체를 구비한다. 상기 전극 조립체는 양극(anode), 분리막(separator), 및 음극(cathode)가 적층된 것으로, 젤리-롤(Jelly-Roll) 형태의 권취 구조 또는 스택(stack) 구조를 갖는다.

상기 분리막은 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막아 전지 내부적으로 단락되는 것을 방지하는 동시에, 충전 및 방전 과정에서 리튬 이온의 이동 통로를 제공한다. 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0056811호에는 다수의 기공을 갖는 다공성 필름의 양 측면에, 무기물 입자와 고분자 물질로 된 바인더의 혼합물을 코팅(coating)하여 다공성 코팅층이 형성된 분리막이 개시된다. 상기 분리막에서 다공성 필름에 형성된 다공성 코팅층 내의 무기물 입자들은 다공성 코팅층의 물리적 형태를 유지하는 역할을 하여 리튬 이차전지 과열시 다공성 필름이 열 수축되는 것을 억제하며, 다공성 필름이 손상되는 경우에도 양극과 음극이 직접 접촉되는 것을 방지한다.

다공성 필름의 양 측면에 다공성 코팅층을 연속적으로 형성하는 방법으로서, 종래에는 무기물 입자와 바인더의 혼합물이 수용된 욕조에 상기 다공성 필름을 통과시키는 방법이 적용되었다. 그런데, 이 방법에 의하면 다공성 필름이 욕조에서 빠져 나오면서 기울어져 진행하는 다공성 필름의 양 측면에 코팅된 코팅액이 흘러내리거나 부분적으로 뭉칠 수 있고, 다공성 필름에 코팅된 코팅액의 무게로 인해 다공성 필름이 쳐지기 때문에, 다공성 코팅층의 두께가 균일하지 않게 될 수 있고, 분리막에 주름(wrinkle)이 형성될 수 있다. 이로 인해 불량율이 높아지게 된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0056811호

본 발명은, 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 이차전지 분리막을 제조하는 방법 및 장치로서, 분리막에 주름 형성, 코팅층의 두께 불균일과 같은 불량 요소가 감소되어 양품 수율이 향상되는 이차전지 분리막 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.

본 발명은, 끊김 없이 진행하는 이형 필름의 상측면에 제1 슬롯 다이 코터(slot die coater)를 이용하여 바인더(binder)에 무기물 입자가 혼합되어 형성된 코팅액을 도포하는 제1 도포 단계, 상기 이형 필름의 상측면에 도포된 코팅액 위에 끊김 없이 진행하는 다공성 필름이 적층되도록 상기 이형 필름과 상기 다공성 필름을 합지하는 합지 단계, 상기 이형 필름과 합지된 다공성 필름의 상측면에 제2 슬롯 다이 코터를 이용하여 상기 제1 코팅 단계의 코팅액과 동종의 코팅액을 도포하는 제2 도포 단계, 및 상기 제1 도포 단계 및 상기 제2 도포 단계에서 도포된 코팅액을 경화하여, 상기 다공성 필름과, 상기 다공성 필름의 양 측면에 형성된 다공성 코팅층을 구비한 이차전지 분리막을 형성하는 경화 단계를 구비하는 이차전지 분리막 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 끊김 없이 진행하는 이형 필름의 상측면에 바인더에 무기물 입자가 혼합되어 형성된 코팅액을 도포하는 제1 슬롯 다이 코터, 상기 이형 필름의 상측면에 도포된 코팅액 위에 끊김 없이 진행하는 다공성 필름이 적층되도록, 상기 이형 필름과 상기 다공성 필름을 합지하는 합지 롤러, 상기 이형 필름과 합지된 다공성 필름의 상측면에 상기 제1 슬롯 다이 코터가 도포하는 코팅액과 동종의 코팅액을 도포하는 제2 슬롯 다이 코터, 및 상기 다공성 필름의 아래와 위에 적층된 코팅액을 경화하여, 상기 다공성 필름과, 상기 다공성 필름의 양 측면에 형성된 다공성 코팅층을 구비한 이차전지 분리막을 형성하는 경화 유닛을 구비하는 이차전지 분리막 제조 장치를 제공한다.

본 발명의 이차전지 분리막 제조 장치는, 롤(roll) 형태로 권취된 상기 다공성 필름을 풀어 상기 합지 롤러로 공급하는 다공성 필름 공급 롤러, 및 상기 다공성 필름 공급 롤러에서 공급된 다공성 필름의 장력을 미리 설정된 값으로 유지하는 댄서 롤러(dancer roller)를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 이차전지 분리막 제조 장치는, 롤 형태로 권취된 상기 이형 필름을 풀어 상기 제1 슬롯 다이 코터로 공급하는 이형 필름 공급 롤러, 및 상기 경화 유닛을 통과하여 형성된 이차전지 분리막을 권취하여 회수하는 분리막 회수 롤러를 더 구비할 수 있다.

상기 다공성 필름은 PTFE(polytetrafluoroethylene) 재질의 필름일 수 있다.

본 발명에 의하면, 다공성 필름을 코팅액에 침지한 후 꺼내는 방식으로 다공성 필름의 양 측면에 코팅액을 도포하는 것이 아니라, 이형 필름에 슬롯 다이 코터로 코팅액을 도포하고, 그 위에 다공성 필름을 적층하고, 그 위에 다시 슬롯 다이 코터로 코팅액을 도포하여 다공성 필름의 양 측면에 코팅액을 도포한다. 따라서, 코팅층의 두께 불균일이나, 이차전지 분리막에 주름이 형성되는 등과 같은 불량 요소가 발생하지 않게 되어 양품 수율이 향상된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 분리막 제조 방법의 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 분리막 제조 장치의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 분리막 제조 방법 및 제조 장치를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 분리막 제조 방법의 플로우 차트이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 분리막 제조 장치의 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 분리막 제조 장치는, 이형 필름 공급 롤러(11), 제1 슬롯 다이 코터(slot die coater)(14), 다공성 필름 공급 롤러(21), 댄서 롤러(dancer roller)(23), 합지 롤러(27), 제2 슬롯 다이 코터(18), 경화 유닛(31), 및 분리막 회수 롤러(34)를 구비한다.

이형 필름 공급 롤러(11)는 롤(roll) 형태로 권취된 이형 필름(6)을 풀어 제1 슬롯 다이 코터(14)로 공급하는 롤러로서, 이형 필름(6)을 끊김 없이 연속적으로 공급한다. 이형 필름(6)은 이차전지 분리막(1)(도 2 참조)에 분리 가능하게 부착되어 이차전지 분리막(1)을 지지하는 필름으로서, 예컨대, PET(polyethylene terephthalate) 재질의 필름일 수 있다. 이형 필름 공급 롤러(11)와 제1 슬롯 다이 코터(14) 사이에는 이형 필름(6)의 진행 경로를 안내하는 적어도 하나의 가이드 롤러(guide roller)가 구비된다.

제1 슬롯 다이 코터(14)는 상기 이형 필름 공급 롤러(11)에서 공급된 이형 필름(6)의 상측면에 코팅액(4a)을 도포하는 롤러이다. 상기 코팅액(4a)은 고분자 물질로 된 바인더에 무기물 입자를 혼합하여 형성될 수 있다. 슬롯 다이 코터는, 예컨대, 필름, 시트와 같은 코팅 대상의 폭 방향으로 연장된 한 쌍의 블록(block)을 구비하고, 상기 한 쌍의 블록 사이에 코팅액이 누출되는 슬롯(slot)이 형성된 코팅 기기로서, 상기 슬롯을 통해 코팅액이 일정한 유속으로 흘러내려 얇은 두께의 코팅이 가능하고, 코팅 품질의 신뢰성이 높다.

제1 슬롯 다이 코터(14)의 아래에는 제1 코팅 지지 롤러(13)가 구비되며, 상기 제1 코팅 지지 롤러(13)의 외주면에 이형 필름(6)이 지지된 상태로 제1 슬롯 다이 코터(14)에서 누출된 코팅액(4a)이 이형 필름(6)의 상측면에 도포되므로, 코팅액(4a)의 두께가 균일하게 된다. 코팅액(4a)이 도포된 이형 필름(6)은 제1 코팅 지지 롤러(13)를 통과하며 진행 방향이 전환된다. 도 2를 참조하여 부연하면, 상기 이형 필름(6)의 진행 방향은 우측에서 좌측으로 향하여 진행하다가 제1 코팅 지지 롤러(13)를 통과하며 좌측에서 좌측으로 향해 진행한다. 또한, 상기 제1 코팅 지지 롤러(13)를 통과한 이형 필름(6)은 수평 방향 내지 거의 수평과 유사하게 진행한다.

다공성 필름 공급 롤러(21)는 롤(roll) 형태로 권취된 다공성 필름(2)을 풀어 합지 롤러(27)로 공급하는 롤러로서, 다공성 필름(2)을 끊김 없이 연속적으로 공급한다. 합지 롤러(27)는 제1 슬롯 다이 코터(14)를 통과하여 이형 필름(6)의 상측면에 도포된 코팅액(4a) 위에 상기 다공성 필름 공급 롤러(21)에서 공급된 다공성 필름(2)이 적층되도록, 이형 필름(6)과 다공성 필름(2)을 합지(合紙)하는 롤러이다. 다공성 필름(2)은 예컨대, PE(polyethylene), PP(polypropylene)와 같은 폴리올레핀(polyolefine), 또는 PTFE(polytetrafluoroethylene)을 압출하여 다공성의 필름으로 가공 형성된다.

댄서 롤러(23)는 다공성 필름 공급 롤러(21)에서 합지 롤러(27)로 진행하는 다공성 필름(2)의 진행 경로 상에 설치되어, 다공성 필름(2)의 텐션(tension), 즉 장력을 미리 설정된 값으로 유지한다. 다공성 필름(2)의 텐션이 미리 설정된 적정한 값보다 크거나 작으면 합지 롤러(27)를 통과할 때 이형 필름(6)의 진행 속도와 다공성 필름(2)의 진행 속도의 차이가 커져서 제조된 이차전지 분리막(1)에 주름이 형성되는 것과 같은 불량이 증대되며 양품 수율이 저하될 수 있다.

댄서 롤러(23)는 자신의 외부에 설정된 중심(DAC)에 대해 진자 운동(pendular movement) 가능한 롤러로서, 다공성 필름 공급 롤러(21)에서 합지 롤러(27)로 진행하는 다공성 필름(2)의 진행 경로를 연장시키는 방향으로 일정한 힘으로 바이어스(bias)되어 있다. 다공성 필름(2)의 장력이 상기 미리 설정된 적정값에 해당되면, 댄서 롤러(23)는 도 2에 실선으로 도시된 바와 같이 좌측이나 우측으로 치우치지 않은 위치에 위치한다.

그러나, 다공성 필름(2)의 장력이 상기 미리 설정된 적정값보다 커지면, 댄서 롤러(23)는 도 2에 가상선으로 도시된 것처럼 다공성 필름(2)의 진행 경로가 단축되도록 우측으로 이동하여 다공성 필름(2)의 장력이 상기 적정값으로 복귀되도록 한다. 반대로, 다공성 필름(2)의 장력이 상기 미리 설정된 적정값보다 작아지면, 댄서 롤러(23)는 도 2에 가상선으로 도시된 것처럼 다공성 필름(2)의 진행 경로가 연장되도록 좌측으로 이동하여 다공성 필름(2)의 장력이 상기 적정값으로 복귀되도록 한다. 여기서, 상기 다공성 필름(2)의 장력의 적정값은 단일 숫자로 제한되지 않고, 하한과 상한을 갖는 범위의 값으로 설정될 수 있다.

제2 슬롯 다이 코터(18)는 상기 이형 필름(6)과 합지된 다공성 필름(2)의 상측면에 코팅액(4b)을 도포하는 롤러이다. 제2 슬롯 다이 코터(18)의 코팅액(4b)은 제1 슬롯 다이 코터(14)의 코팅액(4a)과 동종의 코팅액이다. 제2 슬롯 다이 코터(18)는 제1 슬롯 다이 코터(14)와 동종의 코터일 수 있다.

제2 슬롯 다이 코터(18)의 아래에는 제2 코팅 지지 롤러(17)가 구비되며, 상기 제2 코팅 지지 롤러(17)의 외주면에 서로 합지된 이형 필름(6)과 다공성 필름(2)이 지지된 상태로 제2 슬롯 다이 코터(18)에서 누출된 코팅액(4b)이 다공성 필름(2)의 상측면에 도포되므로, 코팅액(4b)의 두께가 균일하게 된다.

경화 유닛(31)은 제1 슬롯 다이 코터(18)를 통과하여 다공성 필름(2)의 아래와 위에 적층된 코팅액(4a, 4b)을 경화시킨다. 구체적으로, 경화 유닛(31)은 복사열에 의해 코팅액(4a, 4b)을 건조 경화할 수도 있고, 적외선(IR)을 조사(照射)하여 코팅액(4a, 4b)을 경화할 수도 잇다. 경화된 코팅액(4a, 4b)으로 인해 다공성 필름(2)과, 상기 다공성 필름(2)의 양 측면에 형성된 다공성 코팅층(4a, 4b)을 구비한 이차전지 분리막(1)이 형성된다. 상기 이차전지 분리막(1)은 이형 필름(6)에 분리 가능하게 부착 지지된 채 경화 유닛(31)을 통과한다.

분리막 회수 롤러(34)는 경화 유닛(31)을 통과하여 형성된 이차전지 분리막(1)을 권취하여 회수하는 롤러이다. 도 2에 도시된 분리막 회수 롤러(34)는 이차전지 분리막(1)과 함께 이를 지지하는 이형 필름(6)도 권취하여 회수한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 이차전지 분리막 제조 장치는 이차전지 분리막(1)을 지지하는 이형 필름(6)을 상기 이차전지 분리막(1)에서 분리하는 이형 필름 분리 롤러(미도시)를 더 구비할 수도 있다. 이 경우에 분리막 회수 롤러는 이형 필름(6)이 제거된 이차전지 분리막(1)만을 권취 회수한다.

본 발명의 실시예에 따른 이차전지 분리막 제조 방법은 도 2에 도시된 이차전지 분리막 제조 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 이차전지 분리막 제조 방법은, 이형 필름 공급 단계(S11), 제1 도포 단계(S12), 합지 단계(S13), 제2 도포 단계(S14), 경화 단계(S15), 및 분리막 회수 단계(S16)를 구비한다. 이형 필름 공급 단계(S11)는 이형 필름(6)을 끊김 없이 연속적으로 공급하는 단계로서, 도 2의 이형 필름 공급 롤러(11)에 의해 수행될 수 있다. 상기 이형 필름(6)에 대해서는 본 발명의 이차전지 분리막 제조 장치를 설명하는 과정에서 이미 설명하였으므로 중복된 언급은 생략한다.

제1 도포 단계(S12)는 상기 끊김 없이 진행하는 상기 이형 필름(6)의 상측면에 제1 슬롯 다이 코터(14)를 이용하여 코팅액(4a)을 도포하는 단계이다. 상기 코팅액(4a)에 대해서는 본 발명의 이차전지 분리막 제조 장치를 설명하는 과정에서 이미 설명하였으므로 중복된 언급은 생략한다. 합지 단계(S13)는 이형 필름(6)의 상측면에 도포된 코팅액(4a) 위에 끊김 없이 진행하는 다공성 필름(2)이 적층되도록 상기 이형 필름(6)과 상기 다공성 필름(2)을 합지하는 단계이다. 상기 합지 단계(S13)는 도 2의 다공성 필름 공급 롤러(21) 및 합지 롤러(27)에 의해 수행될 수 있다. 상기 다공성 필름(2)에 대해서는 본 발명의 이차전지 분리막 제조 장치를 설명하는 과정에서 이미 설명하였으므로 중복된 언급은 생략한다.

제2 도포 단계(S14)는 상기 이형 필름(6)과 합지된 다공성 필름(2)의 상측면에 제2 슬롯 다이 코터(18)를 이용하여 코팅액(4b)을 도포하는 단계이다. 상기 코팅액(4b)은 제1 도포 단계(S12)의 코팅액(4a)과 동종의 코팅액으로서, 본 발명의 이차전지 분리막 제조 장치를 설명하는 과정에서 이미 설명하였으므로 중복된 언급은 생략한다.

경화 단계(S15)는 제1 도포 단계(S12)와 제2 도포 단계(S13)에서 도포된 코팅액(4a, 4b)을 경화하여, 다공성 필름(2)과, 상기 다공성 필름(2)의 양 측면에 형성된 다공성 코팅층(4a, 4b)을 구비한 이차전지 분리막(1)을 형성하는 단계이다. 경화 단계(S15)는 도 2의 경화 유닛(31)에 의해 수행될 수 있다. 분리막 회수 단계(S16)는 경화 단계(S15)를 통해 형성된 이차전지 분리막(1)을 권취하여 회수하는 단계이다. 상기 분리막 회수 단계(S16)는 도 2의 분리막 회수 롤러(34)에 의해 수행될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: 이차전지 분리막 2: 다공성 필름
4a, 4b: 코팅액 6: 이형 필름
11: 이형 필름 공급 롤러 14, 18: 슬롯 다이 코터
21: 다공성 필름 공급 롤러 23: 댄서 롤러
31: 경화 유닛 34: 분리막 회수 롤러

Claims

끊김 없이 진행하는 이형 필름의 상측면에 제1 슬롯 다이 코터(slot die coater)를 이용하여 바인더(binder)에 무기물 입자가 혼합되어 형성된 코팅액을 도포하는 제1 도포 단계;
상기 이형 필름의 상측면에 도포된 코팅액 위에 끊김 없이 진행하는 다공성 필름이 적층되도록 상기 이형 필름과 상기 다공성 필름을 합지하는 합지 단계;
상기 이형 필름과 합지된 다공성 필름의 상측면에 제2 슬롯 다이 코터를 이용하여 상기 제1 코팅 단계의 코팅액과 동종의 코팅액을 도포하는 제2 도포 단계; 및,
상기 제1 도포 단계 및 상기 제2 도포 단계에서 도포된 코팅액을 경화하여, 상기 다공성 필름과, 상기 다공성 필름의 양 측면에 형성된 다공성 코팅층을 구비한 이차전지 분리막을 형성하는 경화 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 분리막 제조 방법.
끊김 없이 진행하는 이형 필름의 상측면에 바인더에 무기물 입자가 혼합되어 형성된 코팅액을 도포하는 제1 슬롯 다이 코터;
상기 이형 필름의 상측면에 도포된 코팅액 위에 끊김 없이 진행하는 다공성 필름이 적층되도록, 상기 이형 필름과 상기 다공성 필름을 합지하는 합지 롤러;
상기 이형 필름과 합지된 다공성 필름의 상측면에 상기 제1 슬롯 다이 코터가 도포하는 코팅액과 동종의 코팅액을 도포하는 제2 슬롯 다이 코터; 및,
상기 다공성 필름의 아래와 위에 적층된 코팅액을 경화하여, 상기 다공성 필름과, 상기 다공성 필름의 양 측면에 형성된 다공성 코팅층을 구비한 이차전지 분리막을 형성하는 경화 유닛;을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 분리막 제조 장치.
제2 항에 있어서,
롤(roll) 형태로 권취된 상기 다공성 필름을 풀어 상기 합지 롤러로 공급하는 다공성 필름 공급 롤러; 및,
상기 다공성 필름 공급 롤러에서 공급된 다공성 필름의 장력을 미리 설정된 값으로 유지하는 댄서 롤러(dancer roller);를 더 구비한 것을 특징으로 하는 이차전지 분리막 제조 장치.
제2 항에 있어서,
롤 형태로 권취된 상기 이형 필름을 풀어 상기 제1 슬롯 다이 코터로 공급하는 이형 필름 공급 롤러; 및, 상기 경화 유닛을 통과하여 형성된 이차전지 분리막을 권취하여 회수하는 분리막 회수 롤러;를 더 구비한 것을 특징으로 하는 이차전지 분리막 제조 장치.
제4 항에 있어서,
상기 다공성 필름은 PTFE(polytetrafluoroethylene) 재질의 필름인 것을 특징으로 하는 이차전지 분리막 제조 장치.