KR20180001520A - 리튬이차전지 음극 제조 시스템 - Google Patents

리튬이차전지 음극 제조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지 음극 제조 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 롤투롤(roll to roll)부, 멀티 노즐을 갖는 전기분무(e-spraying)부, 슬롯다이(slot-die)부 포함하고, 멀티 노즐에 의한 전기 분무시 분무되는 유량을 제어 가능함으로써 음극 제조시 필요에 따라 박막의 두께를 자유롭게 조절할 수 있으며, 이를 통해 제조되는 음극의 두께 균일도 및 증착 효율성을 향상시켜 음극의 대량생산 및 상기 음극을 채용하는 리튬이차전지의 사이클 특성 향상이 가능하다.

Description

리튬이차전지 음극 제조 시스템{SYSTEM FOR MANUFACTURING LITHIUM SECONDARY BATTERY ANODE}
본 발명은 리튬이차전지 음극 제조 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판을 공급, 회수 및 이송하기 위한 롤투롤(roll to roll)부, 멀티 노즐을 갖는 전기분무(e-spraying)부, 슬롯다이(slot-die)부 포함하고, 전기 분무시 분무되는 유량이 노즐별로 제어되는 멀티 노즐에 의해 음극 제조시 필요에 따라 박막의 두께를 자유롭게 조절가능하여 제조되는 음극의 두께 균일도 및 증착 효율성을 향상시켜 음극의 대량생산이 가능한 리튬이차전지 음극 제조 시스템에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.
전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
리튬이차전지는 리튬 금속을 이용한 이차전지뿐만 아니라 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬이온폴리머 이차전지를 포함하는 광의의 개념으로서, 높은 전압과 높은 에너지 밀도를 가지고 있다.
리튬이차전지의 음극은 탄소계 재료 위주로 개발되어 왔다. 탄소계 음극 활물질은 구조적으로 리튬 이온이 탄소 층 사이로 가역적으로 삽입, 탈리할 수 있다. 탄소계 음극 활물질은 높은 용량을 갖는 장점이 있으며, 산화 환원전위가 낮기 때문에 탄소계를 음극으로 사용하면 높은 전위를 갖는다.
이러한 탄소계 물질은 통상 코터(coater)를 이용한 방법으로 도포되고 있다.
그러나, 기존 코터를 이용한 음극 형성 방법은 코팅의 균일도가 현저히 떨어지고, 기판이나 노즐의 움직임 없이는 균일한 코팅면을 얻기가 힘들다.
리튬이차전지의 성능 향상은 양극, 음극 및 전해질의 성능향상에 의하여 가능한 바, 음극의 두께 균일도 확보를 위한 방안 등 리튬이차전지의 성능향상을 위한 꾸준한 연구가 필요한 실정이다.
국내공개특허공보 제10-2010-0042345호 국내공개특허공보 제10-2011-0085611호 국내공개특허공보 제10-2015-0132418호
본 발명은 종래 리튬이차전지 음극 제조 시스템의 문제를 해결하기 위하여, 롤투롤(roll to roll)부, 멀티 노즐을 갖는 전기분무(e-spraying)부, 슬롯다이(slot-die)부의 구성을 포함하는 신규한 리튬이차전지 음극 제조 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
집전체가 형성된 기판을 공급, 회수 및 이송하기 위한 롤투롤(roll to roll)부;
상기 기판 상에 음극활물질 조성물을 전기분무하여 음극활물질층을 형성하기 위한 전기분무(e-spraying)부;
상기 기판 상에 상기 음극활물질 조성물을 슬롯다이코팅하여 음극활물질층을 형성하기 위한 슬롯다이(slot-die)부; 및
상기 음극활물질층이 형성된 기판을 건조하기 위한 건조부; 를 포함하는 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)을 제공한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 롤투롤부(100)는, 상기 집전체가 형성된 기판(250)에 음극활물질 코팅층을 형성하기 위하여 상기 집전체가 형성된 기판을 공급하여 상기 전기분무부(200), 슬롯다이부(300) 및 건조부(400)를 통과하여 이송시킨 후 기판을 회수하는 연속 공정 시스템으로 구성된다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 롤투롤부(100)는 공급롤(loading roll), 및 회수롤(unloading roll)을 포함하여 2개 이상의 롤을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 전기분무법은 물에 친화적인 용제에 의해 분산된 나노소재 혼합물을 아주 작은 방울(droplet)로 피착물의 표면에 방사(spray)하는 방식으로, 이러한 작은 방울들은 가습기에서 분출되는 수증기처럼 중력에 영향을 크게 받지 않기 때문에 넓은 표면에 나노소재의 뭉침(aggregation)없이, 동시에 즉각적으로 균일한 두께의 나노입자 박막을 형성할 수 있다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템에 있어서, 상기 전기분무부(200)는, 음극활물질 조성물(360)을 상기 집전체가 형성된 기판(250) 상에 전기분무 공정을 통하여, 균일한 두께의 제 1 나노 입자 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템에 있어서, 상기 전기분무부(200)는,
음극활물질 조성물(360)을 저장하는 뱅크(220);
상기 뱅크와 연결되어 음극활물질 조성물을 분무하는 분무 노즐(230); 및
상기 분무 노즐에 전압을 인가하는 전압 공급 장치(240); 를 포함한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 전기분무부(200)에서는 0.1 내지 10 kV의 전압을 인가한 상태에서 상기 분무 노즐(230)과 기판(250) 사이의 거리를 10 내지 50 cm로 유지한 채 10 내지 25 ul/min의 분사 속도로 2 내지 5ml 의 음극활물질 조성물(360)을 액적 상태로 상기 기판(250) 상에 증착시키는 공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
일례로, 인가 전압은 고전압이 바람직하며, 구체적으로 0.1 내지 10 kV의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 5 kV일 수 있다. 이때, 인가 전압이 0.1 kV 미만이면, 분산액 입자의 분산이 어려워 균일한 막을 얻기 어려울 수 있고, 반대로 10 kV를 초과하면 분사되는 분산액의 각이 커지게 되어 증착효율이 감소하고 분산액의 손실이 커지는 문제가 있다.
일례로, 분산액의 분사량은 2 내지 5 ㎖인 것이 바람직하고, 이의 분사속도는 10 내지 25 ㎕/min인 것이 바람직하다. 이때, 분산액의 분사량이 2 ㎖ 미만이면 분사되는 양이 충분하지 않아 균일한 음극박막이 얻어지지 않을 수 있고, 반면에 5 ㎖를 초과하면 필요 이상의 분산액을 사용하게 되어 제조비용 상승을 초래할 수 있다.
또한, 일례로, 노즐(230)과 기판(250) 사이의 거리(D)는 10 내지 50 ㎝인 것이 바람직하며, 이는 인가 전압을 고려하여 결정될 수 있다. 노즐(230)과 기판(250) 사이의 거리(D)가 10 ㎝ 미만이면, 기판(250)의 요철에 대한 공정 변화가 크며, 반대로 50 ㎝를 초과하면 인가 전압이 높아지는 단점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서 이와 같은 전기분무 원리를 이용한 제 1 음극 박막의 제조는 진공 및 대기압 하에서 수행될 수 있다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 슬롯다이부(300)에서는 상기 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360)을 상기 기판(250) 상에 슬롯다이코팅하는 공정을 수행하여 균일한 두께의 제 2 나노 입자 박막을 형성하는 공정이 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 슬롯다이코팅법은 리튬이차전지의 코팅 공정에 가장 널리 사용되는 코팅 기술로서 대면적의 코팅에 매우 용이하며, 음극활물질 조성물과 같은 코팅액을 코팅하는데 매우 적합하다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 전기분무부(200)는, 상기 음극활물질 조성물을 저장하는 뱅크에 장착되어 상기 음극활물질 조성물을 분사하는 복수개의 노즐로 이루어진 멀티노즐부를 1개 또는 복수개 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 멀티노즐부(210)는 하나의 뱅크(220)에 복수개의 노즐(230)이 1차원적으로 연결된 분무 노즐을 멀티 노즐(230a, 230b, 230c)이라고 할 때, 상기 멀티 노즐을 복수개로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 전기분무부(200)는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 제어부는 멀티노즐부(210)의 각각의 노즐(230)에서 분사되는 음극활물질 조성물(360)의 분사 유량을 다르게 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360)은 실리콘계 및 그래핀계 복합물을 음극 활물질로 포함함으로써, 고용량화 및 부피팽창 억제에 따른 사이클 특성 개선으로 장수명화 리튬이차전지 음극의 제조가 가능하다.
본 발명의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 있어서, 상기 음극활물질 조성물(360)은 Si-CNF 코어쉘(core-shell) 나노입자, Si/Si-C/C 코어쉘 나노입자, Si-그래핀 코어쉘 나노입자, SiOx(1≤≤x≤≤2) 나노입자, SiOx(1≤≤x≤≤2)-그래핀 코어쉘 나노입자, Si-M 나노입자 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 실리콘계 복합 나노 입자; 및 그래핀 옥사이드(Graphene oxide), 환원 그래핀 옥사이드(reduced Graphene oxide), 그래핀 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 그래핀계 물질;을 포함하는 음극 활물질; 및 바인더; 를 포함하는 리튬이차전지 음극활물질 조성물을 제공한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360)에 있어서, 상기 바인더는 카복시메틸셀룰로오스(CMC), 또는 스타이렌부타디엔러버(SBR), 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알콜(PVA) 를 포함하는 수계(Water-based) 바인더인 것을 특징으로 한다.
종래 탄소계 음극 활물질 중 주로 사용되는 흑연은 이론 비용량이 372mAh/g으로 낮기 때문에, 본 실시예의 리튬이차전지 음극활물질 조성물은, 리튬이차전지의 고용량화를 위해서는 다른 재료, 즉 흑연보다 고용량을 나타내는 음극 활물질을 사용하는 것이 요구되었으며, 이를 위해, 본 실시예에서는 음극 활물질에 흑연보다 고용량을 나타내는 실리콘(Si)계 복합 나노입자를 도입하였다.
실리콘(Si)은 이론 비용량이 4200mAh/g의 현격히 높은 값을 가지며, 밀도도 2.33g/ml이다. 또한, 실리콘(Si)은 리튬 삽입(intercalation) 전위 또한 흑연과 유사한 특징을 나타낸다. 그러나, 실리콘(Si)은 리튬의 삽입과 탈리(deintercalation)에 따른 급격한 부피변화(300%, Li21Si5)에 의해 크랙킹(cracking)이 발생해 전극에서 탈리 및 SEI층의 파괴로 인한 계속적인 전해액과의 부반응으로 사이클 특성이 매우 열악해 금속 실리콘 자체로는 음극 재료로 사용하기에 부적합하다.
이러한 실리콘계 나노입자의 단점을 개선하기 위해, 본 발명에 의한 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360)은 실리콘(Si)계 복합 나노입자를 도입하였다. 본 발명에 의한 리튬이차전지 음극활물질 조성물에 있어서 실리콘계 복합 나노입자는, Si-CNF 코어쉘(core-shell) 나노입자, Si/Si-C/C 코어쉘 나노입자, Si-그래핀 코어쉘 나노입자, SiOx(1≤≤x≤≤2) 나노입자, SiOx(1≤≤x≤≤2)-그래핀 코어쉘 나노입자 및 Si-M 나노입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
실리콘(Si)계 복합 나노입자와 함께 음극 활물질로 사용되는 그래핀계 물질은, 그래핀 옥사이드(Graphene oxide), 환원 그래핀 옥사이드(reduced Graphene oxide) 및 그래핀 으로 이루어진 그룹 에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
그래핀은 탄소 원자가 육각형 그물코 모양으로 배열된 시트 형태의 구조를 가지고 있으며, 높은 전기전도성을 갖고 있다. 또한, 그래핀은 sp2 혼성탄소 구조로 이루어져 있어 전기적, 열적 및 기계적 특성과 같은 물리적 성질이 매우 뛰어나다. 나아가, 그래핀은 2600m2/g 이상의 큰 표면적을 가지고 있다. 이렇듯, 그래핀은 흑연에 비해 전기전도도가 더 우수하고, 큰 표면적을 지니고 있으며, 화학적으로도 안정하기 때문에 음극재로 각광을 받고 있다.
본 발명엥 의한 상기 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360)은 상기 실리콘계 복합 나노입자 및 그래핀(graphene)계 물질을 포함하는 음극 활물질 이외에, 바인더(binder), 및 선택적으로 도전재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360) 전체 100 중량부당 상기 음극 활물질은 80 내지 90 중량부, 상기 바인더는 10 내지 20 중량부의 비율로 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 바인더는 음극활물질을 극판에 고정화하기 위한 것으로, 전기분무(e-spraying)법의 적용이 가능하도록 수계(Water-based) 바인더를 사용할 수 있고, 예를 들면 카복시메틸셀룰로오스(CMC), 스타이렌부타디엔러버(SBR), 폴리아크릴산(PAA), 및 폴리비닐알콜(PVA) 를 포함하는 수계(Water-based) 바인더등을 들 수 있다.
본 발명에 의한 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360) 전체 100 중량부당 도전재 0.5 내지 20 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 도전재는 음극 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하다. 예를 들어, 도전재는 탄소 재료 등을 들 수 있다. 또한 상기 탄소 재료로는 다공질 구조를 갖는 것이 바람직하고, 특히, 비표면적이 커서 보다 넓은 반응면적을 제공할 수 있는 것이 바람직하다. 상기 다공질 구조를 갖는 탄소 재료로서는 구체적으로 메조포러스 카본 등을 들 수 있으며, 보다 구체적으로 그라파이트, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브 및 카본 파이버, 카본 나노튜브 등을 들 수 있다.
본 발명에 의한 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360)에 있어서, 상기 도전재는, 인조 흑연, 천연 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 탄소 섬유, 금속 섬유, 알루미늄, 주석, 비스무트, 실리콘, 안티몬, 니켈, 구리, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 아연, 몰리브덴, 텅스텐, 은, 금, 란타늄, 루테늄, 백금, 이리듐, 산화티탄, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지 음극활물질 조성물(360)은 1 내지 5 g/cm-sec 의 점도를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 리튬이차전지 음극활물질 조성물은 점도가 1 내지 5 g/cm-sec 의 범위로 조절되어 전기분무(e-spraying)를 이용한 도포가 가능하다.
전기분무는 물에 친화적인 용제에 의해 분산된 나노소재 혼합물을 아주 작은 방울(droplet)로 피착물의 표면에 방사(spray)하는 방식으로, 이러한 작은 방울들은 가습기에서 분출되는 수증기처럼 중력에 영향을 크게 받지 않기 때문에 넓은 표면에 나노소재의 뭉침(aggregation)없이, 동시에 즉각적으로 균일한 두께의 나노입자 박막을 형성할 수 있다. 이러한 전기분무의 원리에 의해, 본 실시예의 리튬이차전지 음극활물질 조성물을 이용하여 두께 균일성을 갖는, 즉 고균일도의 리튬이차전지 음극의 제조가 가능하다.
본 실시예의 리튬이차전지용 음극의 제조 방법은, 리튬이차전지 음극활물질 조성물 제조 단계(S110), 음극 형성 단계(S120) 및 열처리 단계(S130)를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 리튬이차전지 음극활물질 조성물 제조 단계(S110)에서는 상기 전기분무(e-spraying)법을 위한 제1 음극활물질 조성물 및 상기 슬롯다이코팅을 위한 제2 음극활물질 조성물을 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 전기분무(e-spraying)법을 위한 제1 음극활물질 조성물 및 상기 슬롯다이코팅을 위한 제2 음극활물질 조성물은 동일한 조성으로 제조되거나, 서로 상이한 조성으로 제조되는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 전기분무(e-spraying)법을 위한 제1 음극활물질 조성물 및 상기 슬롯다이코팅을 위한 제2 음극활물질 조성물이 동일한 조성일 경우, 동일 조성물로 다른 제조 방법으로 음극을 형성함으로써 구조적 안정성이 향상된 전극의 제조가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 전기분무 공정시, 인가 전압, 노즐과 기판 사이의 거리, 분산액의 분사속도 및 분사량 등은 특별히 한정되지 않고, 목표하는 제1 음극 박막의 두께나 면적, 분산액의 점도 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
일례로, 인가 전압은 고전압이 바람직하며, 구체적으로 0.1 내지 10 kV의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 5 kV일 수 있다. 이때, 인가 전압이 0.1 kV 미만이면, 분산액 입자의 분산이 어려워 균일한 막을 얻기 어려울 수 있고, 반대로 10 kV를 초과하면 분사되는 분산액의 각이 커지게 되어 증착효율이 감소하고 분산액의 손실이 커지는 문제가 있다.
일례로, 분산액의 분사량은 2 내지 5 ㎖인 것이 바람직하고, 이의 분사속도는 10 내지 25 ㎕/min인 것이 바람직하다. 이때, 분산액의 분사량이 2 ㎖ 미만이면 분사되는 양이 충분하지 않아 균일한 음극박막이 얻어지지 않을 수 있고, 반면에 5 ㎖를 초과하면 필요 이상의 분산액을 사용하게 되어 제조비용 상승을 초래할 수 있다.
또한, 일례로, 노즐(230)과 기판(250) 사이의 거리(D)는 10 내지 50 ㎝인 것이 바람직하며, 이는 인가 전압을 고려하여 결정될 수 있다. 노즐(230)과 기판(250) 사이의 거리(D)가 10 ㎝ 미만이면, 기판(250)의 요철에 대한 공정 변화가 크며, 반대로 50 ㎝를 초과하면 인가 전압이 높아지는 단점이 있다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 전기분무(e-spraying)법을 이용한 음극의 제조 방법은 음극활물질 조성물과 전류 집전체가 형성된 기판(250)과의 전위 차이에 의해 박막의 응집 현상을 억제시켜 제조된 음극의 두께가 대략 0.5 ㎛ 내지 40 ㎛ 이고, 상기 두께에 ± 5% 이하의 균일도, 즉 고균일도의 리튬이차전지용 제1 음극 박막(240)을 형성할 수 있다.
본 발명의 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제1 음극 박막은 D50이 20 내지 250 nm 미만의 나노실리콘 또는 0.2 내지 20 wt%의 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전기분무법을 이용한 음극 형성 방법은 박막의 두께 균일도 향상이라는 측면에서 매우 우수한 코팅 방법이지만 박막의 두께를 올리는데 한계가 있다.
이러한 음극 박막 두께에 따른 증착 한계를 극복하기 위하여, 본 실시예에서는 음극 형성 시, 전기분무법 후속으로 슬롯다이코팅(Slot-die coating)법을 도입하였다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극의 제조 방법은 전기분무법과 슬롯다이코팅법을 복합화하여 적용할 것을 제안하였다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 음극 박막은 두께가 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 슬롯다이코팅법을 이용한 리튬이차전지용 음극의 제조방법에 있어서, 슬롯다이코팅법은 전기분무법의 후속으로 이용되므로, 목표하는 음극의 두께를 고려하여 그 증착 두께를 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 음극 박막은 두께가 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 한다. 이러한 슬롯다이코팅법은 통상의 공지된 기술을 제한 없이 이용할 수 있다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극의 제조 방법에 있어서, 상기 슬롯다이코팅법에 의한 음극 형성 단계에서는 상기 형성된 제1 음극 박막 에 상기 제2 음극활물질 조성물을 코팅하여 제 2 음극 박막을 형성함으로써, 음극 박막의 최종 두께를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 집전체가 형성된 기판(250);
상기 기판 위에 형성된 제 1 음극 박막(240); 및
상기 제 1 음극 박막 위에 형성된 제 2 음극 박막; 을 포함하고,
전극 에너지 밀도가 600 mAh/cc 이상인 리튬이차전지용 음극을 제공한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 1 음극 박막은 전기분무법에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 1 음극 박막은 두께가 0.5 ㎛ 내지 40 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 2 음극 박막은 슬롯다이코팅법에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 2 음극 박막은 두께가 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 1 음극 박막 및 제 2 음극 박막은 동일한 물질인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 1 음극 박막 및 제 2 음극 박막이 동일한 물질로 형성될 경우, 동종의 이중 음극 박막을 형성함으로써 구성 물질간의 구조적 안정성이 향상된 전극의 제조가 가능하다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 1 음극 박막 및 제 2 음극 박막은 서로 상이한 물질인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 1 음극 박막 및 제 2 음극 박막이 서로 상이한 물질로 형성될 경우, 이종의 음극 박막을 형성함으로써 구조적 안정성에 소재의 우수한 특성을 추가하여 전극 성능의 개선이 용이하다.
또한, 본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극은 전체 두께가 40 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 리튬이차전지용 음극은 두께 균일도가 전체 두께의 ± 5% 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 리튬이차전지용 음극은 AFM 측정시 최대높이조도는, 10 x 10 ㎛2 영역에서 1 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 리튬이차전지 음극 제조 시스템에 관한 것으로, 롤투롤(roll to roll)부, 전기분무(e-spraying)부, 슬롯다이(slot-die)부 포함하고, 상기 전기분무부는 멀티 노즐을 포함하여 전기 분무시 분무되는 유량을 제어 가능함으로써 음극 제조시 필요에 따라 박막의 두께를 자유롭게 조절할 수 있으며, 제조되는 음극의 두께 균일도 및 증착 효율성을 향상시켜 음극의 대량생산 및 상기 음극을 채용하는 리튬이차전지의 사이클 특성 향상이 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)을 나타낸 개략도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 음극 제조 시스템 중 전기분무부(200)를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노즐부(210)를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 음극 제조 시스템 중 슬롯다이부(300)을 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 음극 제조 시스템이 적용된 배터리 전극의 제작 장치를 나타낸 모식도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지 음극 제조 시스템에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)을 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)은 롤투롤(roll to roll)부(100), 전기분무(e-spraying)부(200), 슬롯다이(slot-die)부(300) 및 건조부(400)를 포함하여 구성된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)은, 기판을 공급, 회수 및 이송하기 위한 롤투롤(roll to roll)부(100)와, 이송된 기판 상에 음극활물질 조성물을 전기분무하기 위한 전기분무(e-spraying)부(200)와, 전기분무된 기판 상에 음극활물질 조성물을 슬롯다이코팅하기 위한 슬롯다이(slot-die)부(300), 및 슬롯다이코팅된 기판을 건조하기 위한 건조부(400)를 포함한다.
롤투롤부(100)는 통상의 롤-투-롤 타입으로 기판을 연속적으로 공급하면서 기판 표면에 음극활물질의 연속 코팅 시스템을 제공한다.
롤투롤부(100)는 두 개 이상의 롤(111,112)을 포함하여 전기분무부(200), 슬롯다이부(300) 및 건조부(400)를 화살표 A 방향으로 가로질러 음극활물질이 코팅될 기판(250)을 이송한다.
롤(111,112)이 두 개로 구성될 경우, 하나는 기판의 공급롤(loading roll)이고, 다른 하나는 코팅된 기판의 회수롤(unloading roll)일 수 있다. 이 때, 기판은 집전체가 형성된 기판(250)일 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 실시예의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10) 중 전기분무부(200)를 나타낸 모식도이다.
전기분무부(200)는 전기분무장치를 이용하여 음극활물질 조성물(360)을 기판(250) 상에 전기분무하는 전기분무시스템을 제공한다.
전기분무법은 물에 친화적인 용제에 의해 분산된 나노소재 혼합물을 아주 작은 방울(droplet)로 피착물의 표면에 방사(spray)하는 방식으로, 이러한 작은 방울들은 가습기에서 분출되는 수증기처럼 중력에 영향을 크게 받지 않기 때문에 넓은 표면에 나노소재의 뭉침(aggregation)없이, 동시에 즉각적으로 균일한 두께의 나노입자 박막을 형성할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10) 중 전기분무부(200)는 음극활물질 조성물(360)을 저장하는 뱅크(220)와, 뱅크(220)와 연결되어 음극활물질 조성물(360)을 분무하는 분무 노즐(230) 및 전선을 통해 분무 노즐(230)에 전압을 인가하는 전압 공급 장치(260)를 포함하여 구성될 수 있다.
음극활물질 조성물(360)은 리튬이차전지용 음극활물질이 바인더(binder), 선택적으로 도전재 등과 혼합되어 제조된 분산액일 수 있다.
음극활물질은 흑연(graphite)계 물질, 실리콘(silicon)계 물질, 그래핀(graphene)계 물질 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 흑연보다 고용량을 나타내는 실리콘(silicon)계 물질, 그래핀(graphene)계 물질을 들 수 있다.
바인더는 도전재를 고정화하기 위한 것으로, 수계 바인더를 사용할 수 있고, 예컨대 카복시메틸셀룰로오스(CMC), 스타이렌부타디엔러버(SBR) 등을 들 수 있다.
음극활물질 조성물(360)을 저장하는 뱅크(220)와 음극활물질 조성물(360)을 분무하는 분무 노즐(230)은 기판(250)의 면적, 음극활물질의 재료, 음극의 두께 균일도 등을 고려하여 그 개수나 배치구조가 결정될 수 있다.
전기분무 공정 시, 인가 전압, 노즐(230)과 기판(250) 사이의 거리, 분산액의 분사속도 및 분사량, 분무 노즐의 지름 등은 특별히 한정되지 않고, 목표하는 음극의 두께나 면적, 분산액의 점도 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
일례로, 인가 전압은 고전압이 바람직하며, 구체적으로 0.1kV 내지 10kV의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 5kV일 수 있다. 이때, 인가 전압이 0.1kV 미만이면, 분산액 입자의 분산이 어려워 균일한 막을 얻기 어려울 수 있고, 반대로 10kV를 초과하면 분사되는 분산액의 각이 커지게 되어 증착효율이 감소하고 분산액의 손실이 커지는 문제가 있다.
일례로, 분산액의 분사량은 2㎖ 내지 5㎖인 것이 바람직하고, 이의 분사속도는 10㎕/min 내지 25㎕/min인 것이 바람직하다. 이때, 분산액의 분사량이 2㎖ 미만이면 분사되는 양이 충분하지 않아 균일한 음극박막이 얻어지지 않을 수 있고, 반면에 5㎖를 초과하면 필요 이상의 분산액을 사용하게 되어 제조비용 상승을 초래할 수 있다.
일례로, 분무 노즐(230)과 기판(250) 사이의 거리는 10㎝ 내지 50㎝인 것이 바람직하며, 이는 인가 전압을 고려하여 결정될 수 있다. 분무 노즐(230)과 기판(250) 사이의 거리가 10㎝ 미만이면, 기판(250)의 요철에 대한 공정 변화가 크며, 반대로 50㎝를 초과하면 인가 전압이 높아지는 단점이 있다.
분무 노즐(230)은 분산액의 점도에 따라 결정될 수 있지만, 바람직하게는 지름 0.1㎛ 내지 50㎛인 것이 사용될 수 있다.
바람직하게, 본 실시예의 전기분무부는 복수의 멀티노즐부(210)를 포함하는 멀티노즐 시스템에 의하여 수행될 수 있다. 여기서, 멀티노즐 시스템은 하나의 뱅크(220)에 복수개의 노즐(230)이 1차원적으로 연결된 것을 멀티노즐부로 정의할 때, 이 멀티노즐부 구성을 복수개 포함하는 시스템을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노즐부(210)를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 전기분무 공정에 이용되는 멀티노즐부(210)는 제1 멀티노즐부(210a), 제2 멀티노즐부(210b) 및 제3 멀티노즐부(210c)를 포함하여 구성된다.
제1 멀티노즐부(210a)는 제1 뱅크(220a) 및 제1 뱅크(220a)에 복수개의 노즐이 1차원적으로 연결된 제1 멀티노즐(230a)로 구성된다. 제2 멀티노즐부(210b)는 제2 뱅크(220b) 및 제2 뱅크(220b)에 복수개의 노즐(230)이 1차원적으로 연결된 제2 멀티노즐(230b)로 구성된다. 제3 멀티노즐부(210c)는 제3 뱅크(220c) 및 제3 뱅크(220c)에 복수개의 노즐(230)이 1차원적으로 연결된 제3 멀티노즐(230c)로 구성된다.
이러한 복수의 멀티노즐부(210)에 의한 전기분무 공정은, 음극활물질 조성물과 기판과의 전위 차이에 의해 박막의 응집 현상을 억제할 수 있고, 대면적 기판에 대하여 전체적으로 분사량을 유사하게 가져갈 수 있기 때문에, 박막의 두께 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 멀티노즐부(210a, 210b, 210c)는 제어부에 의해 제1 내지 제3 뱅크(220a, 220b, 220c) 각각에 따라 전기분무 시스템을 독립적으로 가져갈 수 있다.
일례로, 각 뱅크(220a, 220b, 220c)에 저장되는 음극활물질 조성물(400)을 달리하여 동시에 서로 다른 재료의 음극활물질을 증착하거나, 혹은 각 멀티 노즐에서의 분무 유량을 다르게 제어하여 영역별로 박막의 두께를 조절할 수 있으며, 이를 통해 증착 효율성을 향상시킬 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 도 5에서는 3개의 멀티노즐부(210a, 210b, 210c)를 구성하였으나, 특별히 이에 한정되지 않고, 개수나 형태 등은 다양하게 변형될 수 있다.
이와 같은 전기분무 원리를 이용한 음극의 제조는 진공 및 대기압 하에서 수행될 수 있다.
도 6은 본 실시예의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)은 중 슬롯다이부(300)을 나타낸 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10) 중 슬롯다이부(300)는 슬롯다이코팅(Slot-die coating)법을 이용하여 음극활물질 조성물(360)을 기판(250) 상에 코팅하는 슬롯다이코팅시스템을 제공한다.
슬롯다이코팅법은 리튬이차전지의 코팅 공정에 가장 널리 사용되는 코팅 기술로서 대면적의 코팅에 매우 용이하며, 음극활물질 조성물과 같은 코팅액을 코팅하는데 매우 적합하다.
건조부(400)는 기판(250) 상에 코팅된 음극활물질 조성물(360)을 건조하여 최종 음극을 형성하기 위한 건조시스템을 제공한다.
이러한 구성의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 따른 음극 제조 공정의 일례는 아래와 같다.
먼저, 롤투롤부(100)의 롤(111,112)에 의해 공급된 기판(250)이 전기분무부(200)로 이송된다. 연속 공정으로, 도 3에 도시된 전기분무부(200)에서 전기분무장치의 뱅크(220)에 저장된 음극활물질 조성물(360)이 분무 노즐(230)을 통해 전압 공급 장치(240)에 의해 전압이 인가된 상태에서 이송된 기판(250) 상에 전기분무된다. 연속 공정으로, 도 6에 도시된 슬롯다이부(300)에서 슬롯다이코터의 슬롯다이(310) 내부로 음극활물질 조성물(360)을 펌핑하여 전기분무된 기판(340) 상에 음극활물질 조성물(360)을 코팅한다. 연속 공정으로, 도 1에 도시된 건조부(400)에서 슬롯다이코팅된 기판을 건조하여 최종 음극을 형성한 후 롤(111,112)에 의해 기판(250)을 회수한다.
이러한 구성의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에 따라 제조된 리튬이차전지 음극은 전기분무법의 원리에 의해 박막의 응집 현상이 억제되어 두께 균일도가 우수하고, 슬롯다이코팅법의 원리에 의해 두께 증착 효율성이 향상된다.
또한, 본 실시예의 롤투롤 공정을 포함하는 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)을 이용하면 리튬이차전지 음극의 대량생산이 가능하고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 상기 리튬이차전지 음극을 채용하는 리튬이차전지의 사이클 특성 향상이 가능하다.
이러한 본 실시예의 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 리튬이차전지와 같은 배터리 전극을 제작하기 위한 장치 제작에 이용될 수 있을 것이다.
한편, 음극 형성 시, 두께 증착에 따른 한계성을 갖지 않는다면, 상기 리튬이차전지 음극 제조 시스템(10)에서 슬롯다이코팅을 위한 슬롯다이부(300)는 생략 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10 : 리튬이차전지 음극 제조 시스템
100 : 롤투롤부 111 : 공급롤
112 : 회수롤 200 : 전기분무부
210 : 멀티노즐부 211 : 노즐지지대
221,222 : 이송롤 210a : 제1 멀티노즐부
210b : 제2 멀티노즐부 210c : 제3 멀티노즐부
220 : 뱅크 220a : 제1 뱅크
220b : 제2 뱅크 220c : 제3 뱅크
230 : 분무 노즐 230a : 제1 멀티노즐
230b : 제2 멀티노즐 230c : 제3 멀티노즐
240 : 전압 공급 장치 250 : 집전체가 형성된 기판
300 : 슬롯다이부 310 : 슬롯다이
360 : 음극활물질 조성물 400 : 건조부
410 : 건조 챔버 430 : 건조 이송롤
450 : 히팅부재

Claims (7)

  1. 집전체가 형성된 기판을 공급, 회수 및 이송하기 위한 롤투롤(roll to roll)부;
    상기 기판 상에 음극활물질 조성물을 전기분무하여 음극활물질층을 형성하기 위한 전기분무(e-spraying)부;
    상기 기판 상에 상기 음극활물질 조성물을 슬롯다이코팅하여 음극활물질층을 형성하기 위한 슬롯다이(slot-die)부; 및
    상기 음극활물질층이 형성된 기판을 건조하기 위한 건조부; 를 포함하는
    리튬이차전지 음극 제조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 롤투롤부는, 공급롤(loading roll)과 회수롤(unloading roll)을 포함하여 두개 이상의 롤(roll)을 포함하고,
    상기 롤투롤부는, 상기 집전체가 형성된 기판에 음극활물질 코팅층을 형성하기 위하여 상기 집전체가 형성된 기판을 공급하여 상기 전기분무부, 슬롯다이부 및 건조부를 통과하여 이송시킨 후 기판을 회수하는 연속 공정 시스템인 것인
    리튬이차전지 음극 제조 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기분무부는
    음극활물질 조성물;
    상기 음극활물질 조성물을 저장하는 뱅크;
    상기 뱅크와 연결되어 상기 음극활물질 조성물을 분무하는 분무 노즐; 및
    상기 분무 노즐에 전압을 인가하는 전압 공급 장치; 를 포함하는
    리튬이차전지 음극 제조 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기분무부에서는 0.1 내지 10 kV의 전압을 인가한 상태에서 상기 분무 노즐과 기판 사이의 거리를 10 내지 50 cm로 유지한 채 10 내지 25 ul/min의 분사 속도로 2 내지 5ml 의 음극활물질 조성물을 액적 상태로 상기 기판 상에 증착시키는 전기분무 공정을 수행하는 것인
    리튬이차전지 음극 제조 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 음극활물질 조성물은 리튬이차전지용 음극활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재의 혼합물로 구성된 것이며,
    상기 음극활물질은 흑연계 물질, 그래핀계, 실리콘계 물질 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상이고,
    상기 바인더는 카복시메틸셀룰로오스(CMC), 또는 스타이렌부타디엔러버(SBR) 인 것인
    리튬이차전지 음극 제조 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기분무부는, 상기 음극활물질 조성물을 저장하는 뱅크에 장착되어 상기 음극활물질 조성물을 분사하는 복수개의 노즐로 이루어진 멀티노즐부를 1개 또는 복수개 포함하는
    리튬이차전지 음극 제조 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기분무부는 상기 멀티노즐부에서 노즐마다 분사되는 음극활물질 조성물의 분사 유량을 다르게 제어하는 제어부;를 더 포함하는
    리튬이차전지 음극 제조 시스템.

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