KR20180125721A

KR20180125721A - 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템

Info

Publication number: KR20180125721A
Application number: KR1020170060366A
Authority: KR
Inventors: 김형섭; 송진오; 최용준; 박원찬
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-26

Abstract

본 발명은 이차전지 전극 건조공정에 있어서, 활물질, 도전제 및 바인더 등의 이차전지전극 슬러리의 조성을 포함하는 모델 입력단계; 및 상기 슬러리 모델에 해당하는 슬러리 로딩량과 건조완료시간의 상관관계를 나타내는 크래킹 윈도우 입력단계; 및 슬러리 로딩량에 따른 건조완료시간 및 공정조건의 입력단계를 포함하는 이차전지 전극 오븐 제어 시스템으로서, 기 입력된 특정 슬러리 모델의 정보에 따라 공정조건을 설정함으로써, 코팅 건조시 크랙을 예측 및 예방할 수 있는 전극 오븐 제어 시스템이다. 본 발명은, 슬러리의 종류가 변경되는 경우에 사람의 손을 거치지 않고, 크랙 윈도우 영역 중 크랙 미발생 영역으로 공정 조건을 자동으로 변경시켜주어 크랙의 발생을 제어할 수 있는 전극 건조오븐의 제어 시스템을 제공한다.

Description

이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템{AN AUTOMATED SYSTEM FOR CONTROLLING A DRY OVEN OF SECONDARY BATTERY ELECTRODES}

본 발명은 전극에 도포된 활물질 슬러리에 포함된 용매를 건조하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 용매를 건조하는 과정에서 발생되는 크랙을 보다 효율적으로 제어하기 위한 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템에 관한 것이다.

근래에 들어서 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, Electric Vehicle, Hybrid Electric Vehicle, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높아 여러 분야에서 각광을 받고 있다.

이러한 리튬 이차전지는, 양극, 세퍼레이터, 음극을 기본 구조로 갖는데, 양극의 표면에는 양극 활물질이 포함된 슬러리가 도포되고, 음극의 표면에는 음극 활물질이 포함된 슬러리가 도포된다. 전극에 도포되는 상기 슬러리는 통상적으로 입상의 전극 활물질, 바인더, 보조도체 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 형성된다. 음극에 도포되는 슬러리는 일반적으로 물을 용매로 사용하고, 양극에 도포되는 슬러리는 일반적으로 NMP(NMethyl-2-pyrrolidone)를 용매로 사용한다.

그런데, 이러한 슬러리는 용매를 많이 포함하는 유동 상태이므로 슬러리가 전극에 도포된 후에는 슬러리에 포함된 용매가 제거되어 활물질층이 손상되지 않도록 하여야 한다. 전극에 도포된 슬러리에 포함된 용매를 제거하기 위해, 종래부터 전극 건조 오븐이 사용되어 왔다.

이러한 슬러리의 건조공정에서는 큰 균열이나 또는 작은 균열이 그물눈상으로 연결된 것과 같은 크랙이 발생해 전극층이 집전박에서 박리하는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 종래에는 크랙(crack)이 발생되는 경우 라인을 멈추거나 발생된 제품을 일부 제거하여 생산을 진행하여왔다. 크랙은 주로 건조오븐 후단에 측정장치나 육안으로 그 여부를 확인하거나 미세 크랙은 측정장비로 식별이 어려워 생산 후 발생한 크랙이 있는 제품은 사용할 수 없게 되어 공정 수율이 저하될 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 슬러리의 조성 및 로딩양에 따라 크랙이 발생하지 않는 적절한 운전 조건 범위를 설정하고 상기 운전 조건 범위에 부합하는 운전 상태로 전극 건조 오븐이 구동될 수 있도록 하는 이차전지 전극 건조오븐 제어 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 이차전지 전극 건조오븐 제어 시스템을 이용하는 이차전지 전극 건조오븐 관리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 과제를 해결하기 위해,

이차전지 전극 건조공정에 있어서,

1) 활물질, 도전제 및 바인더 등의 이차전지전극 슬러리의 조성을 포함하는 슬러리 모델을 입력하는 단계; 및

2) 상기 슬러리 모델에 해당하는, 슬러리 로딩량과 건조완료시간의 상관관계를 나타내는 크래킹 윈도우를 입력하는 단계; 및

3) 슬러리 로딩량에 따른 건조완료시간 등의 크랙 미발생 공정조건을 입력하는 단계를 포함하는 이차전지 전극 오븐 제어 자동화 시스템을 제공한다.

일 실시예에 따르면, 4) 이차전지 전극이 오븐을 통과한 후 크랙 발생 여부 및 발생 정도를 센싱하는 단계; 및 5) 크랙이 생성되지 않은 경우에는 건조공정조건을 유지하고, 크랙이 생성된 경우에는 상기 슬러리 모델의 크래킹 윈도우로부터 크랙 미발생 조건을 도출하여 건조 오븐의 건조완료시간을 변경하는 등의 크랙 미발생 건조공정조건을 입력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 건조완료시간으로부터 하기 식 1에 의해 건조영역에서의 선속를 구하는 것일 수 있다.

[식 1]

선속(m/min)= [건조 공정의 전체 길이(m)/건조완료시간(min)] × α

상기 식에서, α 는 0.8~0.9 이다.

일 실시예에 따르면, 크랙이 발생되는 경우 오븐의 설정 온도 및 순환 팬의 rpm 또는 선속 감소시켜 건조완료시간을 증가 시키는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 크랙이 발생되는 경우 크래킹 윈도우를 이용하여 건조완료시간의 증가폭을 결정하는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 발생된 크랙의 크기에 따라 건조완료시간의 조절폭을 변동시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 이차전지 전극 건조오븐 제어 시스템을 사용하는 이차전지 전극 건조오븐 관리 장치를 제공한다.

일 구현예에 따르면, 이차전지 전극 슬러리 모델 및 로딩량을 입력하는 입력부; 및

상기 슬러리 모델에 해당하는 크래킹 윈도우로부터 입력된 로딩량으로부터 도출된 건조완료시간 및 공정 조건을 설정하는 공정조건 설정부를 구비할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 건조영역 후단에 구비되는 크랙 검출 센서;

상기 크랙 검출 센서로부터 크랙이 검출되는 경우 설정된 크래킹 윈도우에 따라 건조완료시간을 조절폭을 결정하는 건조완료시간 조절부; 및

조절된 건조완료시간과 초기 건조완료시간의 차에 따라 건조 영역으로 공급되는 열풍 온도 및 급기 유량을 결정하는 운전 조건 결정부를 더 구비할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 이차전지 전극 건조오븐 관리장치는 컴퓨터와 연결된 제어 시스템으로서, 각각의 부분들의 현황을 보여주는 패널을 구비할 수 있다.

본 발명은 제어시스템에 기 입력된 특정의 슬러리의 크랙 윈도우에 따라서 공정 조건을 능동적으로 컨트롤 할 수 있는 오븐 자동화 시스템이며, 기 입력된 특정 제품의 정보에 따라 코팅 건조 시 크랙을 예방할 수 있는 전극 오븐 제어 시스템이다. 슬러리의 종류가 바뀌면 사람의 손을 거치지 않고, 크랙 윈도우 영역 중 크랙 프리영역으로 공정 조건을 자동으로 변경시켜 크랙의 발생을 제어할 수 있는 전극 건조오븐의 제어 시스템을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전극건조오븐 제어 시스템의 알고리즘이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 슬러리 모델의 크래킹 윈도우(건조완료시간 v. 슬러리 로딩량)이다.

이하, 본 발명의 건조오븐 제어 시스템에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 이차전지 전극 건조공정에 있어서,

1) 이차전지 전극 슬러리의 모델 입력단계;

2) 상기 슬러리 모델에 해당하는 슬러리 로딩량과 건조완료시간의 상관관계를 나타내는 크래킹 윈도우의 입력단계;

3) 슬러리 로딩량에 따른 크랙 미발생 건조완료시간 등의 공정조건의 설정단계;

4) 이차전지 전극이 오븐을 통과한 후 단계 3)의 조건에 따른 공정 조건으로부터 크랙 발생 여부 및 발생 정도를 센싱하는 단계; 및

5) 크랙이 생성되지 않은 경우에는 건조공정조건을 유지하고, 크랙이 생성된 경우에는 상기 슬러리 모델의 크래킹 윈도우로부터 크랙 미발생 조건을 도출하여 건조 오븐의 건조완료시간 등 공정조건을 변경하는 단계를 포함하는 이차전지 전극 오븐 제어 시스템을 제공하며, 상기 전극오븐 제어 시스템을 이용함으로써 크랙의 발생을 효율적으로 제거할 수 있다.

본 발명은 제어시스템에 기 입력된 특정 슬러리 모델의 크래킹 윈도우(Cracking Window)에 따라서 공정 조건을 능동적으로 제어할 수 있는 자동화 시스템이며, 기 입력된 특정 슬러리의 정보(예를 들면, 활물질, 도전재, 바인더, 용매등의 조성에 따른 슬러리의 조성 또는 구성요소의 종류에 따른 정보)에 따라 코팅 건조시 크랙을 예측함으로써, 크랙의 발생을 예방할 수 있는 전극 건조오븐 제어 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 전극 건조오븐 제어 시스템을 이용하여, 전극의 종류의 변경에 따라서 각각의 모델에 따른 크랙 윈도우 영역 중 크랙 미발생 영역으로 공정 조건을 자동으로 변경할 수 있는 이차전지 전극 건조오븐 자동화 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 최적의 공정 조건을 찾는 알고리즘을 포함하는 시스템으로서, 이러한 알고리즘을 통해 자동화 시스템이 사용자가 원하는 건조수준과 전극의 접착력 수준에 맞추어 능동적으로 전극 건조오븐의 공정 조건들을 변화시킬 수 있는 제어 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전극건조 오븐 제어시스템의 알고리즘이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 전극건조 오븐 제어시스템은, 기준이 되는 슬러리의 모델, 예를 들면 전극 활물질의 종류, 슬러리의 농도, 바인더, 용매 등에 의해 특정되는 슬러리의 조성에 따라 각각의 크래킹 윈도우를 결정할 수 있다.

고정된 조성에서의 슬러리의 크래킹 윈도우는 로딩량(mg/cm²)과 가장 상관관계가 높다. 예를 들면, 하기 도 2와 같이 고정된 슬러리 조성에서 로딩량에 따른 건조완료시간과의 상관관계를 도출하여 슬러리의 크래킹 윈도우를 설정할 수 있다.

따라서, 슬러리의 모델이 결정되면, 일차적으로 기 입력된 크래킹 윈도우를 바탕으로 하여, 슬러리의 로딩량에의한 크래킹이 발생하지 않는 범위에서의 건조완료시간이 자동으로 설정될 수 있다.

상기와 같이 건조완료시간이 설정되면, 하기 식 1을 이용해 공정의 선속이 결정될 수 있다,

[식 1]

선속(m/min) = [건조 공정의 전체 길이(m)/건조완료시간(min)]×α

즉, 건조오븐에서의 건조영역의 전체공정길이를 상기 로딩량으로부터 일차적으로 결정된 건조완료시간으로 나누어 주면 공정의 선속이 결정될 수 있으며 보통 α는 0.8~0.9 로 정하는 것이 좋다.

상기 단계를 거친 후 건조영역의 후단의 크랙 측정 장비에서 크랙이 검출 될 경우, 도 2의 그래프에서 알 수 있듯이 초기에 설정된 건조 완료 시간보다 더 증가된 건조 완료 시간으로 이동할 수 있도로 공정 조건을 조절해 주어야 하며, 이는 오븐 내부의 순환팬의 rpm을 감소시키거나, 오븐의 설정온도 또는 건조영역의 선속을 낮춰주는 방식으로 건조완료 시간을 증가시킬 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 크랙 윈도우 그래프에 따르면 초기 설정된 건조 완료 시간 보다 건조 완료시간을 증가시킴으로써, 크랙 발생으로부터 보다 안전한 영역으로 진입할 수 있다.

이러한 알고리즘을 반복함으로써 건조공정에서의 크랙 발생을 보다 효율적으로 제거할 수 있으며, 보다 최적화된 공정 조건을 도출할 수 있다.

이때, 슬러리 모델에 따라 사전에 측정된 각각의 슬러리에 대한 크래킹 윈도우를 사용함으로써, 크래킹 발생시 제어조건, 즉, 건조완료시간의 조절폭을 보다 효율적으로 결정할 수 있으며, 이는 공정의 효율성을 향상 시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 건조영역의 후단에 구비된 크랙 측정부에서 크랙이 발생되는 경우 크랙의 크기에 따라 건조완료시간의 조절폭을 다르게 설정할 수 있다. 예를 들면, 크기가 큰 크랙의 발생시에는 크랙 미발생 영역과의 차이가 크기 ?문에 건조완료 시간의 증가폭을 크게 하여 좀더 크랙 미발생 영역에 가깝게 조절할 수 있으며, 반면, 크기가 작은 클랙의 발생시에는 미세한 조절에 의한 품질 조절이 가능하므로 그 조절폭을 좀더 작게하는 방식으로 설정될 수 있다.

또한, 본 발명은 이차전지 전극 건조오븐 제어 시스템을 사용하는 전극 건조오븐 관리 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 전극 건조오븐 관리 장치는,

이차전지 전극 슬러리 모델 및 로딩량을 입력하는 입력부; 및

상기 슬러리 모델에 해당하는 크래킹 윈도우로부터 입력된 로딩량으로부터 도출된 건조완료시간 및 공정 조건을 설정하는 공정조건 설정부를 구비하며,

크랙 발생에 따라 그 공정조건을 자동으로 제어하기 위해

건조영역 후단에 구비되는 크랙 검출 센서;

조절된 건조완료시간과 초기 건조완료시간의 차에 따라 건조 영역으로 공급되는 열풍 온도 및 급기 유량을 결정하는 운전 조건 결정부;

를 더 구비할 수 있다.

일 실시예 따르면, 컴퓨터와 연결된 제어 시스템으로서, 각 부분들의 현황을 보여주는 패널을 구비할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 슬러리 모델의 크래킹 윈도우(건조완료시간 v. 슬러리 로딩량)를 나타낸다. 도 2에 따르면 로딩량과 건조 완료 시간에 따른 크랙 미발생 영역이 설정되어 있다. 따라서 슬러리 로딩량이 입력되면 크랙이 발생하지 않는 건조 완료시간이 자동 설정 내지는 변경될 수 있는 것이다. 동일한 방식으로 건조 완료 시간 이외의 공정 조건도 자동으로 변경시켜 크랙 발생을 제어하는 것이 가능하다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

이차전지 전극 건조공정에 있어서,
1) 활물질, 도전제 및 바인더 등의 이차전지전극 슬러리의 조성을 포함하는 슬러리 모델을 입력하는 단계; 및
2) 상기 슬러리 모델에 해당하는, 슬러리 로딩량과 건조완료시간의 상관관계를 나타내는 크래킹 윈도우를 입력하는 단계; 및
3) 슬러리 로딩량에 따른 크랙 미발생 건조공정조건을 입력하는 단계를 포함하는 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템.
제1항에 있어서,
4) 이차전지 전극이 오븐을 통과한 후 크랙 발생 여부 및 발생 정도를 센싱하는 단계; 및 5) 크랙이 생성되지 않은 경우에는 건조공정조건을 유지하고, 크랙이 생성된 경우에는 상기 슬러리 모델의 크래킹 윈도우로부터 크랙 미발생 건조공정조건을 도출하여 건조 오븐의 공정조건을 변경하는 단계를 더 포함하는 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템.
제1항에 있어서,
상기 건조완료시간으로부터 하기 식 1에 의해 건조영역에서의 선속를 구하는 것인 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템:
[식 1]
선속(m/min) = [건조 공정의 전체 길이(m)/건조완료시간(min)]×α
상기 식에서, α는 0.8~0.9 이다.
제2항에 있어서,
크랙이 발생되는 경우 오븐의 설정 온도 및 순환 팬의 rpm 또는 선속을 감소시켜 건조완료시간을 증가시키는 것인 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템.
제2항에 있어서,
크랙이 발생되는 경우 크래킹 윈도우를 이용하여 건조완료시간의 증가폭을 결정하는 것인 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템.
제2항에 있어서,
발생된 크랙의 크기에 따라 건조완료시간의 조절폭을 변동시키는 것인 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템을 사용하는 이차전지 전극 건조오븐 관리 장치.
제7항에 있어서,
이차전지 전극 슬러리 모델 및 로딩량을 입력하는 입력부; 및
상기 슬러리 모델에 해당하는 크래킹 윈도우로부터, 슬러리 로딩량으로부터 도출된 건조공정조건을 설정하는 공정조건 설정부를 구비하는 이차전지 전극 건조오븐 관리장치.
제8항에 있어서,
건조영역 후단에 구비되는 크랙 검출 센서;
상기 크랙 검출 센서로부터 크랙이 검출되는 경우 설정된 크래킹 윈도우에 따라 건조완료시간을 조절폭을 결정하는 건조완료시간 조절부; 및
조절된 건조완료시간과 초기 건조완료시간의 차에 따라 건조 영역으로 공급되는 열풍 온도 및 급기 유량을 결정하는 운전 조건 결정부를 더 구비하는 것인 전극 건조오븐 관리 장치.
제7항에 있어서,
상기 이차전지 전극 건조오븐 제어 시스템은 컴퓨터와 연결되며, 각각의 제어부들의 현황을 보여주는 패널을 구비하는 이차전지 전극 건조오븐 관리 장치.