KR20210045625A - 활물질 이중층을 형성하는 전극 슬러리 코팅 장치 및 방법 - Google Patents

활물질 이중층을 형성하는 전극 슬러리 코팅 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 슬러리 코팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 활물질을 토출하는 제1 및 제2 토출구의 높이를 시간에 따라 제어함으로써, 최종적으로 이중층 구조의 활물질층 형성시 공정 효율을 높이고 불량률을 낮출 수 있다.

Description

활물질 이중층을 형성하는 전극 슬러리 코팅 장치 및 방법{ELECTRODE SLURRY COATING DEVICE AND METHOD FORMING ACTIVE MATERIAL DOUBLE LAYERS}
본 발명은 이중층 구조의 활물질층을 형성하는 전극 슬러리 코팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로 주목받고 있다. 전기자동차의 에너지원으로 적용하기 위해서는 고출력의 전지가 필요하다.
이차전지의 성능 개선을 위하여 집전체 상에 이층 구조의 활물질층들이 형성된 전극 구조 개발이 주목받고 있다. 이러한 이층 구조의 활물질층들을 집전체 상에 형성하는 방법은, 금속 박막 형태의 집전체 상에 하부 및 상부 활물질층을 형성하는 슬러리를 순차적으로 코팅하는 것이다. 그러나, 상기 하부 및 상부 활물질층을 형성하는 슬러리를 일시에 토출하게 되면, 하부 및 상부 활물질이 서로 혼합되면서 원하는 형태의 이층 구조를 형성하지 못하게 된다.
따라서, 활물질 이중층 구조의 전극 제조시, 전극 슬러리 코팅 과정에서 이층 구조의 활물질층을 효과적으로 형성할 수 있는 기술 개발이 요구된다.
일본등록특허공보 제6367133호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 공정 효율을 개선한 이중층 구조의 활물질층을 형성하는 전극 슬러리 코팅 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 장치는, 하판(131), 중판(132) 및 상판(133)으로 구성되는 전극 슬러리 코팅 장치(130)에 있어서, 상기 하판(131)과 중판(132) 사이에 형성되며, 하부 슬러리층을 형성하는 슬러리를 집전체 상에 토출하는 제1 토출구(110); 상기 중판(132)과 상판(133) 사이에 형성되며, 제1 토출구와 코팅 방향의 하류쪽으로 이격되어 위치하며, 상부 슬러리층을 형성하는 슬러리를 집전체 상의 하부 슬러리층 상에 토출하는 제2 토출구(120); 및 상기 코팅 장치를 토출방향의 반대 방향으로 이동시키는 이동 제어부;를 포함한다.
본 발명에서는 상기 하판과 중판 및 상판의 단부는 동일 직선 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예에서, 상기 이동 제어부는 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단 거리(H1)를 하기 조건을 만족하도록 제어한다.
[조건]
하부 슬러리층을 형성 한 후 일정 시간이 경과한 시점에서, 상기 하부 슬러리층 상에 상부 슬러리층을 형성하기 위해 코팅 장치를 토출방향의 반대방향으로 이동시키며, 이때 이동된 거리(H1T)는 상부 슬러리층 평균 두께의 60 내지 140% 범위이다.
상기 범위가 60% 미만인 경우, 토출되는 액의 양 대비하여 슬러리가 코팅되기 위해 머무는 공간, 즉 코팅 장치 단부와 하층 슬러리층 사이의 공간의 전체 면적이 부족하여, 공급되는 슬러리가 코팅되지 못하고 뒤로 새는 문제가 발생한다. 한편, 140% 초과인 경우에는 공급되는 슬러리 대비하여, 코팅 면적이 지나치게 크게 되어, 고르게 코팅되지 못하는 현상이 발생하거나, 하층만 코팅이 되고, 상층은 코팅되지 않는 영역이 나타날 수 있는 문제점이 있다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점은 하기 식 1에 의해 산출된다.
[식 1]
이동 전환 시점(TdS, sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
구체적인 예에서, 전극 슬러리 코팅 시작 전 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단거리(H1S)는 하부 슬러리층의 평균 두께의 60 내지 140% 범위이다.
상기 범위가 60% 미만인 경우, 토출되는 액의 양 대비하여 슬러리가 코팅되기 위해 머무는 공간, 즉 코팅 장치 단부와 집전체 사이의 공간의 전체 면적이 부족하여, 공급되는 슬러리가 코팅되지 못하고 뒤로 새는 문제가 발생한다. 한편, 140% 초과인 경우에는 공급되는 슬러리 대비하여, 코팅 면적이 지나치게 크게 되어, 고르게 코팅되지 못하는 현상이 발생한다.
또한, 상기 상부 슬러리층 및 하부 슬러리층의 각 평균 두께는 40 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 한다.
통상적으로, 이차전지 활물질 재료의 평균 입경은 10㎛ 내외이나, 입경은 통상의 정규 분포를 따르므로, d(90) 또는 d(max)는 10㎛보다 큰 경우가 일반적이다. 코팅이 잘 되기 위해서는 본 발명에서 상부 슬러리층 형성을 위해 코팅 장치가 토출 방향의 반대 방향으로 이동되는데, 이 때, 상부 슬러리층의 평균 두께가 40 ㎛ 미만인 경우, 이동되는 거리인 (H1T)는 최소 24 내지 최대 56㎛ 미만을 가지게 된다. 이 경우, 활물질의 입경인 d(max)와 가까워지면서, 상부 활물질이 코팅될 때, 최대 입경을 가지는 활물질과 이동거리 H1T가 가까워지면서, 슬러리에 포함된 활물질이 코팅될 때, H1T만큼 떨어진 높이를 통과하지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 이는 코팅면의 불량, 예를 들면 크기가 큰 활물질이 걸리므로 코팅면에 라인이 형성되는, 등을 야기함으로, 움직이는 집전체와 코팅 단부 사이에 걸려 집전체에 손상을를 주어 집전체의 파단현상을 발생시킬 수 있기 때문이다.
또한 슬러리층의 두께는 200 ㎛ 이상인 경우, 유리할 수 있으나, 실제 이차전지에 사용되는 코팅량을 200㎛ 초과하기에는 현실적으로 달성하기 어려운 문제가 있다.
또한, 본 발명은, 상기 제1 토출구의 토출을 개폐하는 제1 밸브; 상기 제2 토출구의 토출을 개폐하는 제2 밸브; 및 상기 제1 및 제2 밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어부;를 더 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 밸브 제어부는, 전극 슬러리 코팅 종료시, 제2 밸브의 폐쇄 시각을 제1 밸브의 폐쇄 시각보다 하기 식 2에 따른 폐쇄 지연 시간만큼 지연한다.
[식 2]
상부 슬러리 토출 폐쇄 지연 시간(TdT, sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
예를 들어, 상기 전극 슬러리 코팅 장치는 이차전지용 양극 슬러리 코팅 장치이다.
본 발명은 또한, 앞서 설명한 전극 슬러리 코팅 장치를 이용한 전극 슬러리 코팅 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 방법은, 하판(131), 중판(132) 및 상판(133)으로 구성되는 전극 슬러리 코팅 장치(130)를 이용하여 코팅 방향(MD)으로 이동하는 집전체 상에 제1 토출구를 통해 슬러리를 토출하여 하부 슬러리층을 형성하는 단계; 상기 코팅 장치를 토출 방향의 반대 방향으로 이동시키는 단계; 및 하부 슬러리층 상에 상기 제1 토출구와 코팅 방향의 하류쪽으로 이격되어 위치하는 제2 토출구를 통해 슬러리를 토출하여 상부 슬러리층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 하판과 중판 및 상판의 단부는 동일 직선 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예에서, 상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점은 하기 식 1에 의해 산출된다.
[식 1]
이동 전환 시점(TdS, sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극 슬러리 코팅 방법은, 전극 슬러리 코팅 시작시 제1 토출구를 통해 슬러리 토출을 시작하고, 상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점에서 제2 토출구를 통해 슬러리 토출을 시작한다.
예를 들어, 전극 슬러리 코팅 시작 전 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단거리(H1S)는 하부 슬러리층의 평균 두께의 60 내지 140% 범위이다.
상기 범위가 60% 미만인 경우, 토출되는 액의 양 대비하여 슬러리가 코팅되기 위해 머무는 공간, 즉 코팅 장치 단부와 집전체 사이의 공간의 전체 면적이 부족하여, 공급되는 슬러리가 코팅되지 못하고 뒤로 새는 문제가 발생한다. 한편, 140% 초과인 경우에는 공급되는 슬러리 대비하여, 코팅 면적이 지나치게 크게 되어, 고르게 코팅되지 못하는 현상이 발생한다.
구체적인 예에서, 상기 전극 슬러리 코팅 방법은, 전극 슬러리 코팅 종료시, 상부 슬러리층을 형성하는 슬러리의 토출 중단 시각(TT2)을 하부 슬러리층을 형성하는 슬러리의 토출 중단 시각(TT1)보다 하기 식 2에 따른 밸브 폐쇄 지연 시간 만큼 지연한다.
[식 2]
상부 슬러리 토출 폐쇄 지연 시간(TdT, sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
또한, 본 발명의 상기 토출 지연에 따른 상부 슬러리층의 코팅 종료 지점과 하부 슬러리층의 코팅 종료 지점 간의 거리 차이는 3mm 이내인 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 하부 슬러리층의 평균 두께(D1) 및 상부 슬러리층의 평균 두께(D2)의 비는 1:3 내지 3:1이다.
상기와 같은 슬러리층의 두께는 곧 공급되는 슬러리의 압력으로 볼 수 있다. 하층 슬러리층과 상층 슬러리층의 두께비가 1:3 이상이 되도록, 상층 슬러리층의 압력을 하층 슬러리층의 압력 대비 3배 초과로 공급할 경우, 상층이 하층보다 압력이 강하므로, 하층 슬러리를 코팅 진행방향의 반대방향인 뒤쪽으로 밀어내어 leakage 발생 가능성이 높아지며, 하층 슬러리가 상층 슬러리의 강한 압력으로 인해, 제대로 공급되지 않을 수 있다. 또한, 상층 슬러리의 높은 압력으로 인해, 하층 슬러리층의 슬러리 공급이 균일하게 되지 않으므로, 하층 슬러리층이 균일하게 형성되기 어려운 문제가 있다.
한편, 하층 슬러리층과 상층 슬러리층의 두께비가 3:1 이상이 되도록, 하층 슬러리층의 압력을 상층 슬러리층의 압력 대비 3배 초과로 공급할 경우, 상층 슬러리의 공급이 어려워지거나, 상층 슬러리층의 코팅이 코팅진행방향으로 밀리면서, 코팅액 표면이 불균일 할 수 있는 문제가 있다.
본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 장치 및 방법은 집전체 상에 이중층 구조의 활물질층 형성시 공정 효율을 높이고 불량률을 낮출 수 있다. 또한, 로딩 꺼짐 구간을 줄임으로 공정 후 폐기되는 전극 영역을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 코팅 장치를 이용한 활물질 슬러리 코팅 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 코팅 방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 코팅 방법에 따라 제조된 전극의 단면을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서, "코팅 종료"는 전극 슬러리 코팅을 종료하는 경우 뿐만 아니라 일시적으로 슬러리 코팅을 중단하는 경우를 포괄하는 의미이다. 구체적으로, 전극 슬러리 코팅 장치의 가동을 종료하거나 일시적으로 중단하는 경우를 포함하며, 예를 들어, 패턴화된 활물질층 형성을 위하여 슬러리 코팅의 진행과 중단을 반복하는 경우, 상기 슬러리 코팅을 중단하는 경우를 포함한다.
본 발명에서, "코팅 시작"은 전극 슬러리 코팅을 개시하는 경우 뿐만 아니라 일시적으로 중단된 슬러리 코팅을 재개하는 경우를 포괄하는 의미이다. 구체적으로, 전극 슬러리 코팅 장치의 가동을 개시하거나 일시적으로 중단된 가동을 재개하는 경우를 포함하며, 예를 들어, 패턴화된 활물질층 형성을 위하여 슬러리 코팅의 진행과 중단을 반복하는 경우, 상기 슬러리 코팅을 진행하는 경우를 포함한다.
또한, 본 발명에서, 특정 두 지점이 "대응"한다는 것은, 상기 두 지점이 동일 선상 또는 그 유사 범위 내에 위치하는 경우를 포괄하는 의미이다. 상기 두 지점이 동일 선상에 위치하는 것은, 물리적으로 동일 선상에 위치하는 경우 뿐만 아니라 설비 내지 측정 장비의 오차 범위 또는 일정 수준의 버퍼 영역을 포함한 범위 내에 존재하는 경우를 포함한다.
일반적으로 전극 제조에 있어서, 활물질과 도전재 및 바인더를 포함한 슬러리를 준비하고, 이를 집전체 상에 토출하여 슬러리층을 형성한 후, 최종적으로 건조 공정을 거쳐 활물질층 (전극층)을 형성한다.
본 발명은 이중층 활물질층을 가지는 전극을 제조하기 위한 전극 슬러리 코팅 장치 및 코팅 방법에 관한 것이다.
먼저, 본 발명은 전극 슬러리 코팅 장치에 관한 것으로, 하판(131), 중판(132) 및 상판(133)으로 구성되는 전극 슬러리 코팅 장치(130)에 있어서, 상기 하판(131)과 중판(132) 사이에 형성되며, 하부 슬러리층을 형성하는 슬러리를 집전체 상에 토출하는 제1 토출구(110); 상기 중판(132)과 상판(133) 사이에 형성되며, 제1 토출구와 코팅 방향의 하류쪽으로 이격되어 위치하며, 상부 슬러리층을 형성하는 슬러리를 집전체 상의 하부 슬러리층 상에 토출하는 제2 토출구(120); 및 상기 코팅 장치를 토출방향의 반대 방향으로 이동시키는 이동 제어부;를 포함한다.
특징적으로, 본 발명에서는 상기 하판과 중판 및 상판의 단부는 동일 직선 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
하나의 실시예에서, 상기 이동 제어부는 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단 거리(H1)를 하기 조건을 만족하도록 전극 슬러리 코팅 장치를 이동시킨다.
[조건]
하부 슬러리층을 형성 한 후 일정 시간이 경과한 시점에서, 상기 하부 슬러리층 상에 상부 슬러리층을 형성하기 위해 코팅 장치를 토출방향의 반대방향으로 이동시키며, 이때 이동된 거리(H1T)는 상부 슬러리층 평균 두께의 60 내지 140% 범위이다. 바람직하게, 상기 H1T은 상부 슬러리층 평균 두께의 60 내지 120% 범위 또는 60 내지 100% 범위이다. 상기 H1T은 상부 슬러리층이 형성되는 공간을 제공한다.
상기 범위가 60% 미만인 경우, 토출되는 액의 양 대비하여 슬러리가 코팅되기 위해 머무는 공간, 즉 코팅 장치 단부와 하층 슬러리층 사이의 공간의 전체 면적이 부족하여, 공급되는 슬러리가 코팅되지 못하고 뒤로 새는 문제가 발생한다. 한편, 140% 초과인 경우에는 공급되는 슬러리 대비하여, 코팅 면적이 지나치게 크게 되어, 고르게 코팅되지 못하는 현상이 발생하거나, 하층만 코팅이 되고, 상층은 코팅되지 않는 영역이 나타날 수 있는 문제점이 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 장치는 하부 및 상부 슬러리층이 혼합되지 않고, 하부 및 상부 슬러리층이 이후 건조를 통해 하부 및 상부 활물질층으로 이루어진 이층 구조를 안정적으로 형성하게 된다.
본 발명에서 바람직하게 상기 상부 슬러리층의 평균 두께는 40 내지 200㎛, 더욱 바람직하게는 50 내지 180㎛이고, 하부 슬러리층의 평균 두께는 40 내지 200㎛, 더욱 바람직하게는 50 내지 180㎛이다.
통상적으로, 이차전지 활물질 재료의 평균 입경은 10㎛ 내외이나, 입경은 통상의 정규 분포를 따르므로, d(90) 또는 d(max)는 10㎛보다 큰 경우가 일반적이다. 코팅이 잘 되기 위해서는 본 발명에서 상부 슬러리층 형성을 위해 코팅 장치가 토출 방향의 반대 방향으로 이동되는데, 이 때, 상부 슬러리층의 평균 두께가 40 ㎛ 미만인 경우, 이동되는 거리인 (H1T)는 최소 24 내지 최대 56㎛ 미만을 가지게 된다. 이 경우, 활물질의 입경인 d(max)와 가까워지면서, 상부 활물질이 코팅될 때, 최대 입경을 가지는 활물질과 이동거리 H1T가 가까워지면서, 슬러리에 포함된 활물질이 코팅될 때, H1T만큼 떨어진 높이를 통과하지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 이는 코팅면의 불량, 예를 들면 크기가 큰 활물질이 걸리므로 코팅면에 라인이 형성되는, 등을 야기함으로, 움직이는 집전체와 코팅 단부 사이에 걸려 집전체에 손상을를 주어 집전체의 파단현상을 발생시킬 수 있기 때문이다.
또한 슬러리층의 두께는 200 ㎛ 이상인 경우, 유리할 수 있으나, 실제 이차전지에 사용되는 코팅량을 200㎛ 초과하기에는 현실적으로 달성하기 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점은, 예를 들어, 하기 식 1에 의해 산출 가능하다.
[식 1]
이동 전환 시점(TdS, sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 장치는, 상기 식 1에 의해 산출되는 위치(이동) 전환 시점 이후에 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단 거리인 높이(H1)를 H1S에서 H1T로 변경한다. 여기에서, 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단 거리는 코팅 장치의 상판, 중판 및 하판의 일직선화된 단부에서부터 집전체까지 수직한 접선까지의 길이를 의미한다.
이는 하부 슬러리층이 먼저 형성되고, 그 후에 형성된 하부 슬러리층 상에 상부 슬러리층을 안정적으로 형성하기 위한 것이다.
하나의 예에서, 전극 슬러리 코팅 시작 전 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단거리(H1S)는 하부 슬러리층의 평균 두께의 60 내지 140% 범위에서 제어되며, 바람직하게 80 내지 120%, 더욱 바람직하게 80 내지 100% 범위이다.
상기 범위가 60% 미만인 경우, 토출되는 액의 양 대비하여 슬러리가 코팅되기 위해 머무는 공간, 즉 코팅 장치 단부와 집전체 사이의 공간의 전체 면적이 부족하여, 공급되는 슬러리가 코팅되지 못하고 뒤로 새는 문제가 발생한다. 한편, 140% 초과인 경우에는 공급되는 슬러리 대비하여, 코팅 면적이 지나치게 크게 되어, 고르게 코팅되지 못하는 현상이 발생한다.
한편, 제1 토출구로부터 슬러리가 토출되어 하부 슬러리층을 형성하고, 형성된 하부 슬러리층 상에 다시 제2 토출구로부터 슬러리가 토출되어 상부 슬러리층을 형성한다. 본 발명에서는, 제2 토출구로부터 토출되는 슬러리가 하부 슬러리층을 일정 수준으로 가압하도록 설계한다. 이를 통해, 층간 계면 접합성을 높이고, 계면에 기포 등이 형성되는 것을 방지한다.
본 발명에서는 상기 하판과 중판 및 상판의 단부는 동일 직선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는데, 본 발명에서는 제1 토출구를 통해 하부 슬러리층을 먼저 형성한 후, 일정 시간이 경과한 시점에서 상기 코팅 장치를 토출방향의 반대방향으로 이동시킴으로써, 제2 토출구를 통해 상부 슬러리층이 형성되는 공간을 확보하게 된다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 장치는, 상기 제1 토출구의 토출을 개폐하는 제1 밸브; 상기 제2 토출구의 토출을 개폐하는 제2 밸브; 및 상기 제1 및 제2 밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어부;를 더 포함한다.
또한, 상기 밸브 제어부는 전극 슬러리 코팅 시작시 제1 밸브를 개방하고, 상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점에서 제2 밸브를 개방한다. 이는 제1 밸브를 개방함으로써 하부 슬러리층이 먼저 형성되도록 하기 위함이다. 형성된 하부 슬러리층이 집전체를 이동시키는 컨베이어 이동에 의해 제2 토출구 위치에 도달하면, 그 때 제2 밸브를 개방함으로써 상부 슬러리층이 하부 슬러리층 상에 안정적으로 형성된다. 더불어, 제1 및 제2 밸브의 개방 시기를 제어함으로써, 하부 및 상부 슬러리층이 코팅 시작 지점이 서로 대응되고, 이를 통해 버려지는 잉여부의 면적을 최소화할 수도 있다.
또 다른 하나의 예에서, 예를 들어, 상기 밸브 제어부는, 전극 슬러리 코팅 종료시, 제2 밸브의 폐쇄 시각을 제1 밸브의 폐쇄 시각보다 하기 식 2에 따른 폐쇄 지연 시간만큼 지연하도록 설정한다.
[식 2]
상부 슬러리 토출 폐쇄 지연 시간(sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
위 식 2에 따른 폐쇄 지연 시간은, 이층 구조의 활물질층의 안정적 형성을 저해하지 않는 범위에서, 코팅 종료 시점에서 잉여부의 면적을 최소화하기 위함이다.
상기와 같이 밸브 폐쇄 지연을 통하여, 잉여부, 즉 상부 슬러리층의 코팅 종료 지점과 하부 슬러리층의 코팅 종료 지점 간의 거리 차이를 3mm 이내가 되도록 조절하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같이 잉여부의 길이가 3mm 초과가 되는 경우, 버려지는 면적이 증가하여 경제적이지 못하기 때문이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 제1 토출구를 통해 토출된 슬러리에 의해 형성된 하부 슬러리층의 평균 두께(D1)와 제2 토출구를 통해 토출된 슬러리에 의해 형성된 상부 슬러리층의 평균 두께(D2)의 비율은 1:3 내지 3:1 범위(D1 : D2)이다. 상기 두께 비율은 각 층의 두께 방향 길이의 평균치를 상대적으로 표시한 것이다.
상기와 같은 슬러리층의 두께는 곧 공급되는 슬러리의 압력으로 볼 수 있다. 하층 슬러리층과 상층 슬러리층의 두께비가 1:3 이상이 되도록, 상층 슬러리층의 압력을 하층 슬러리층의 압력 대비 3배 초과로 공급할 경우, 상층이 하층보다 압력이 강하므로, 하층 슬러리를 코팅 진행방향의 반대방향인 뒤쪽으로 밀어내어 leakage 발생 가능성이 높아지며, 하층 슬러리가 상층 슬러리의 강한 압력으로 인해, 제대로 공급되지 않을 수 있다. 또한, 상층 슬러리의 높은 압력으로 인해, 하층 슬러리층의 슬러리 공급이 균일하게 되지 않으므로, 하층 슬러리층이 균일하게 형성되기 어려운 문제가 있다.
한편, 하층 슬러리층과 상층 슬러리층의 두께비가 3:1 이상이 되도록, 하층 슬러리층의 압력을 상층 슬러리층의 압력 대비 3배 초과로 공급할 경우, 상층 슬러리의 공급이 어려워지거나, 상층 슬러리층의 코팅이 코팅진행방향으로 밀리면서, 코팅액 표면이 불균일 할 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 또한 앞서 설명한 장치를 이용한 전극 슬러리 코팅 방법을 제공한다. 장치에 대한 설명에서 언급한 상세한 설명 내지 구체적인 수치 범위 한정 중에서 중복되는 부분은 이하 전극 슬러리 코팅 방법에 대한 설명에서는 생략한다.
상기 전극 슬러리 코팅 방법은, 하판(131), 중판(132) 및 상판(133)으로 구성되는 전극 슬러리 코팅 장치(130)를 이용하여 코팅 방향(MD)으로 이동하는 집전체 상에 제1 토출구를 통해 슬러리를 토출하여 하부 슬러리층을 형성하는 단계; 상기 코팅 장치를 토출 방향의 반대 방향으로 이동시키는 단계; 및 하부 슬러리층 상에 상기 제1 토출구와 코팅 방향의 하류쪽으로 이격되어 위치하는 제2 토출구를 통해 슬러리를 토출하여 상부 슬러리층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 상기 하판과 중판 및 상판의 단부는 동일 직선 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예에서, 상기 전극 슬러리 코팅 방법은, 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단 거리인 높이 (H1)는, 전극 슬러리 코팅 시작 후 일정 시간이 경과한 시점에서, H1S에서 H1T로 변경되고, 상기 H1T는 상부 슬러리층이 형성되는 공간을 제공한다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 방법은 하부 및 상부 슬러리층이 혼합되지 않고, 하부 및 상부 슬러리층으로 이루어진 이층 구조를 안정적으로 형성하게 된다.
예를 들어, 상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점은 하기 식 1에 의해 산출 가능하다.
[식 1]
이동 전환 시점(TdS, sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 방법은, 상기 식 1에 의해 산출되는 이동 전환 시점 이후에 H1S에서 H1T로 변경한다. 이는 하부 슬러리층이 먼저 형성되고, 그 후에 형성된 하부 슬러리층 상에 상부 슬러리층을 안정적으로 형성하기 위한 것이다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 방법은, 전극 슬러리 코팅 시작시 제1 토출구를 통해 슬러리를 토출 시작하고, 상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점에서 제2 토출구를 통해 슬러리 토출을 시작한다.
이를 통해, 형성된 하부 슬러리층이 집전체를 이동시키는 컨베이어 이동에 의해 제2 토출구 위치에 도달하면, 그 때 제2 밸브를 개방함으로써 상부 슬러리층이 하부 슬러리층 상에 안정적으로 형성된다. 더불어, 제1 및 제2 밸브의 개방 시기를 위와 같이 제어함으로써, 하부 및 상부 슬러리층이 코팅 시작 지점이 서로 대응되고, 이를 통해 버려지는 잉여부의 면적을 최소화할 수 있다.
또 다른 하나의 예에서, 하나의 예에서, 전극 슬러리 코팅 시작 전 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단거리(H1S)는 하부 슬러리층의 평균 두께의 60 내지 140% 범위에서 제어되며, 바람직하게 80 내지 120%, 더욱 바람직하게 80 내지 100% 범위이다. 상기 범위가 60% 미만인 경우, 토출되는 액의 양 대비하여 슬러리가 코팅되기 위해 머무는 공간, 즉 코팅 장치 단부와 집전체 사이의 공간의 전체 면적이 부족하여, 공급되는 슬러리가 코팅되지 못하고 뒤로 새는 문제가 발생한다. 한편, 140% 초과인 경우에는 공급되는 슬러리 대비하여, 코팅 면적이 지나치게 크게 되어, 고르게 코팅되지 못하는 현상이 발생하거나, 하층만 코팅이 되고, 상층은 코팅되지 않는 영역이 나타날 수 있는 문제점이 있다.
여기에서, 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단 거리는 코팅 장치의 상판, 중판 및 하판의 일직선화된 단부에서부터 집전체까지 수직한 접선까지의 길이를 의미한다.
제1 토출구로부터 슬러리가 토출되어 하부 슬러리층을 형성하고, 형성된 하부 슬러리층 상에 다시 제2 토출구로부터 슬러리가 토출되어 상부 슬러리층을 형성한다. 본 발명에서는, 제2 토출구로부터 토출되는 슬러리가 하부 슬러리층을 일정 수준으로 가압하도록 설계한다. 이를 통해, 층간 계면 접합성을 높이고, 계면에 기포 등이 형성되는 것을 방지한다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 방법은, 전극 슬러리 코팅 종료시, 상부 슬러리층을 형성하는 슬러리의 토출 중단 시각을 하부 슬러리층을 형성하는 슬러리의 토출 중단 시각보다 하기 식 2에 따른 밸브 폐쇄 지연 시간만큼 지연하는 것을 특징으로 한다.
[식 2]
상부 슬러리 토출 폐쇄 지연 시간(sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
위 식 2에 따른 폐쇄 지연 시간은, 이층 구조의 활물질층의 안정적 형성을 저해하지 않는 범위에서, 코팅 종료 시점에서 잉여부의 면적을 최소화하기 위함이다.
상기와 같은 잉여부를 로딩 꺼짐 구간이라고 하며, 이는 슬러리 토출 중단에 의해 슬러리층의 두께가 감소되는 지점에서부터 토출된 슬러리의 말단부까지의 의미한다.
이를 통해 로딩 꺼짐 구간을 야기함에 따라 폐기되는 잉여 부분을 줄일 수 있는 효과를 발현할 수 있다. 이는 공정 효율의 상승 및 제조 비용의 감소를 초래한다. 상기 로딩 꺼짐 구간이란 슬러리 토출 중단에 의해 슬러리층의 두께가 감소되는 지점에서부터 토출된 슬러리의 최 말단부(종료 부분)까지의 의미한다. 일반적으로 토출 폐쇄를 지연시키지 않거나, 너무 많이 지연시키는 경우 5.5mm 이상의 로딩 꺼짐 구간이 발생하는 것이 통상적이다.
상기와 같이 상부 슬러리층의 슬러리 토출 지연을 통하여, 잉여부, 즉 상부 슬러리층의 코팅 종료 지점과 하부 슬러리층의 코팅 종료 지점 간의 거리 차이를 3mm 이내가 되도록 조절하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같이 잉여부의 길이가 3mm 초과가 되는 경우, 버려지는 면적이 증가하여 경제적이지 못하기 때문이다.
도 3을 참고하면, 컨베이어에 의해 코팅 방향(MD)으로 이동하는 집전체 상에 하부 슬러리층(111) 및 상부 슬러리층(121)이 순차적으로 코팅되어 종료되는 경우를 나타내고 있다. 상기와 같이 상부 슬러리층의 슬러리 토출을 지연시킴으로써, 하부 슬러리층(111)의 코팅 종료 지점(E bottom)과 상부 슬러리층(121)의 코팅 종료 지점(E top) 간의 거리 차이를 줄일 수 있다.
또한, 상기와 같이 상부 슬러리층의 슬러리 토출 지연을 통하여 종래 대비 잉여부의 길이를 줄일 수 있다. 여기서 로딩 꺼짐 구간이란, 슬러리층의 두께가 감소되기 시작하는 부분(E terminal)에서 슬러리의 최 말단부인 E top까지의 총 거리를 의미한다.
본 발명에서는 상기 E bottom과 E top이 일치하면서도 동시에 로딩 꺼짐 구간의 길이를 작게 달성하는 것이 특징이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 제1 토출구를 통해 토출된 슬러리에 의해 형성된 하부 슬러리층의 평균 두께(D1)와 제2 토출구를 통해 토출된 슬러리에 의해 형성된 상부 슬러리층의 평균 두께(D2)의 비율은 1:3 내지 3:1 범위(D1 : D2)이다. 상기 두께 비율은 각 층의 두께 방향 길이의 평균치를 상대적으로 표시한 것이다.
이하, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 코팅 장치를 이용한 활물질 슬러리 코팅 과정을 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 상기 전극 슬러리 코팅 장치는, 하판(131) 및 상판(133)을 포함하며, 상기 하판과 상판(131, 133) 사이에는 중판(132)이 개재된 구조이다. 상기 하판과 중판(131, 132) 사이의 유로를 따라 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 슬러리가 유체이동하며 제1 토출구(110)를 통해 하부 슬러리층(111)을 형성하는 슬러리를 토출한다. 상기 중판과 상판(132, 133) 사이의 유로를 따라 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 슬러리가 유체이동하며 제2 토출구(120)를 통해 상부 슬러리층(121)을 형성하는 슬러리를 토출한다. 또한, 상기 제1 및 제2 토출구(110, 120)와 일정 거리를 이격하여 집전체(101)를 코팅 방향(MD)으로 이동하는 컨베이어(미도시)가 위치한다.
이때, 상기 코팅 장치의 하판, 중판 및 상판의 단부는 동일 직선상에 위치한다.
또한 도 2를 참조하면 상기 코팅 장치는 장치의 단부, 즉 하판과 중판 및 상판의 단부는 집전체(101)로부터 일정 간격 이격되어 있는데, 이 때, 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단 거리(H1S)만큼 코팅 시작 전에 이격되어 있다.
상기 제1 토출구(110)를 통해 토출된 슬러리는 집전체(101) 상에 평균 두께 D1인 하부 슬러리층(111)을 형성하고, 코팅 장치를 토출 방향의 반대 방향으로 이동시키는 이동 제어부(미도시)를 통하여 코팅 장치를 집전체로부터 일정거리 이격시킨다. 이후, 제2 토출구(120)를 통해 토출된 슬러리는 하부 슬러리층(111) 상에 평균 두께 D2인 상부 슬러리층(121)을 형성한다.
(제1 실시 형태)
도 1에 도시된 전극 슬러리 코팅 장치 및 방법을 통해 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다. 구체적으로, 전극 슬러리 코팅 시작시, 컨베이어를 따라 이동하는 집전체(101)의 표면과 코팅 장치의 단부 사이의 최단 거리(H1S)는 80 ㎛이다. 제1 토출구(110)로부터 슬러리가 토출되어 하부 슬러리층을 형성한다. 그런 다음, 코팅 장치의 높이(H1)는 도 2에 도시된 바와 같이 H1S에서 H1T 만큼 토출방향의 반대방향으로 이동하게 된다. 상기 코팅 장치가 이동하는 시점은 하기 식 1에 의해 산출된다. 구체적으로, 컨베이어에 의한 집전체(101)의 이동 속도는 50 m/min이고, 중판의 두께(a)는 1mm이고, 제1 토출구의 두께(b)도 1mm 였다. 이를 식 1에 적용하면 다음과 같다.
[식 1]
이동 전환 시점(TdS, sec) = (중판의 두께(mm) + 제1 토출구의 두께(mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
중판의 두께 및 제1 토출구의 두께의 합은 2mm이다. 또한, 컨베이어에 의한 집전체(101)의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec)는 50 (m/min)이고, 이를 단위 환산하면 83.3 (mm/sec)이다. 식 1에 따라 산출하면, 이동 시간(TdT)을 2.4x10-3 (sec) 즉 2.4 ms(milliseconds)이다.
상기 시간 동안 코팅 장치를 토출방향의 반대방향으로 이동 시킨 거리인 H1T는 60㎛ 였다.
상기 전극 슬러리 코팅 장치를 통해 코팅된 슬러리 이중층의 전체 평균 두께(DT)는 약 150 ㎛이며, 이 중에서 하부 슬러리층(D1)의 평균 두께는 90 ㎛이고, 상부 슬러리층(D2)의 평균 두께는 60 ㎛이다.
(제2 실시 형태)
도 1에 도시된 전극 슬러리 코팅 장치를 이용하여 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다. 전극 슬러리 코팅 방법에 대한 구체적인 설명은, 제1 실시 형태와 중복되므로 생략한다.
다만, 코팅 장치를 시작 거리인 토출방향의 반대방향으로 이동 시킨 거리인 H1T는 90㎛ 였다.
상기 전극 슬러리 코팅 장치를 통해 코팅된 슬러리 이중층의 전체 평균 두께(DT)는 약 180 ㎛이며, 이 중에서 하부 슬러리층(D1)의 평균 두께는 90 ㎛이고, 상부 슬러리층(D2)의 평균 두께는 90 ㎛이다.
(제3 실시 형태)
도 1에 도시된 전극 슬러리 코팅 장치를 이용하여 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다. 전극 슬러리 코팅 방법에 대한 구체적인 설명은, 제1 실시 형태와 중복되므로 생략한다.
다만 전극 슬러리 코팅 종료시, 제2 밸브의 폐쇄 시각을 제1 밸브의 폐쇄 시각보다 하기 식 2에 따른 폐쇄 지연 시간만큼 지연하였다. 구체적으로, 컨베이어에 의한 집전체(101)의 이동 속도는 50 m/min이고, 중판의 두께(a)는 1mm이고, 제1 토출구의 두께(b)도 1mm 였다. 이를 아래 식 2에 적용하면 다음과 같다.
[식 2]
상부 슬러리 토출 폐쇄 지연 시간(sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
중판의 두께 및 제1 토출구의 두께의 합은 2mm이다. 또한, 컨베이어에 의한 집전체(101)의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec)는 50 (m/min)이고, 이를 단위 환산하면 83.3 (mm/sec)이다. 식 2에 따라 산출하면, 밸브 폐쇄 지연 시간은 2.4x10-3 (sec) 즉 2.4 ms(milliseconds)이다.
따라서, 전극 슬러리 코팅 종료시, 제2 밸브의 폐쇄 시각을 제1 밸브의 폐쇄 시각보다 2.4 ms 만큼 지연하였다. 이 경우, 제조된 전극은 하부 및 상부 슬러리층(111,121)의 코팅 종료 지점이 일치(E top=E bottom)하였으며, 상부 슬러리층과 하부 슬러리층의 두께가 감소되는 부분(E terminal)에서 코팅이 종료된 최 말단 부분(E top, E bottom)까지의 거리인 로딩 꺼짐 길이를 측정한 결과 4.5mm로 형성되었다.
일반적으로, 로딩 꺼짐 길이는 5.5mm 이상으로 형성되는 바, 본 실시 형태 3에 의해 제조되는 경우, 잉여부의 길이를 줄임으로 폐기되는 부분이 절약되어 공정상의 효율성이 높아지는 효과가 있었다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
101: 집전체
110: 제1 토출구
111: 하부 슬러리층
120: 제2 토출구
121: 상부 슬러리층
131: 코팅장치 하판
132: 코팅장치 중판
133: 코팅장치 상판
a: 중판의 두께
b: 제1 토출구의 두께

Claims (14)

  1. 하판(131), 중판(132) 및 상판(133)으로 구성되는 전극 슬러리 코팅 장치(130)에 있어서,
    상기 하판(131)과 중판(132) 사이에 형성되며, 하부 슬러리층을 형성하는 슬러리를 집전체 상에 토출하는 제1 토출구(110);
    상기 중판(132)과 상판(133) 사이에 형성되며, 제1 토출구와 코팅 방향의 하류쪽으로 이격되어 위치하며, 상부 슬러리층을 형성하는 슬러리를 집전체 상의 하부 슬러리층 상에 토출하는 제2 토출구(120); 및
    상기 코팅 장치를 토출방향의 반대 방향으로 이동시키는 이동 제어부;를 포함하며,
    상기 하판과 중판 및 상판의 단부는 동일 직선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이동 제어부는 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단 거리(H1)를 하기 조건을 만족하도록 제어하는 전극 슬러리 코팅 장치:
    [조건]
    하부 슬러리층을 형성 한 후 일정 시간이 경과한 시점에서, 상기 하부 슬러리층 상에 상부 슬러리층을 형성하기 위해 코팅 장치를 토출방향의 반대방향으로 이동시키며, 이때 이동된 거리(H1T)는 상부 슬러리층 평균 두께의 60 내지 140% 범위이다.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점은 하기 식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 장치:
    [식 1]
    이동 전환 시점(sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
  4. 제1항에 있어서,
    전극 슬러리 코팅 시작 전 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단거리(H1S)는 하부 슬러리층의 평균 두께의 60 내지 140% 범위인 전극 슬러리 코팅 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 슬러리층 및 하부 슬러리층의 평균 두께는 40 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 토출구의 토출을 개폐하는 제1 밸브;
    상기 제2 토출구의 토출을 개폐하는 제2 밸브; 및
    상기 제1 및 제2 밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 장치:
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는, 전극 슬러리 코팅 종료시,
    제2 밸브의 폐쇄 시각을 제1 밸브의 폐쇄 시각보다 하기 식 2에 따른 폐쇄 지연 시간만큼 지연하는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 장치:
    [식 2]
    상부 슬러리 토출 폐쇄 지연 시간(TdT, sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
  8. 하판(131), 중판(132) 및 상판(133)으로 구성되는 전극 슬러리 코팅 장치(130)를 이용하여 코팅 방향(MD)으로 이동하는 집전체 상에 제1 토출구를 통해 슬러리를 토출하여 하부 슬러리층을 형성하는 단계;
    상기 코팅 장치를 토출 방향의 반대 방향으로 이동시키는 단계; 및
    하부 슬러리층 상에 상기 제1 토출구와 코팅 방향의 하류쪽으로 이격되어 위치하는 제2 토출구를 통해 슬러리를 토출하여 상부 슬러리층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 하판과 중판 및 상판의 단부는 동일 직선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점은 하기 식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 방법.
    [식 1]
    이동 전환 시점(TdS, sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
  10. 제 8 항에 있어서,
    전극 슬러리 코팅 시작시 제1 토출구를 통해 슬러리 토출을 시작하고,
    상기 코팅 장치가 토출방향의 반대 방향으로 이동하는 시점에서 제2 토출구를 통해 슬러리 토출을 시작하는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    전극 슬러리 코팅 시작 전 코팅 장치의 단부와 집전체 사이의 최단거리(H1S)는 하부 슬러리층의 평균 두께의 60 내지 140% 범위 전극 슬러리 코팅 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    전극 슬러리 코팅 종료시,
    상부 슬러리층을 형성하는 슬러리의 토출 중단 시각을 하부 슬러리층을 형성하는 슬러리의 토출 중단 시각보다 하기 식 2에 따른 밸브 폐쇄 지연 시간 만큼 지연하는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 방법:
    [식 2]
    상부 슬러리 토출 폐쇄 지연 시간 (sec) = (중판의 두께(a) (mm) + 제1 토출구의 두께(b) (mm)) / 집전체의 이동 방향(MD) 이동 속도(mm/sec).
  13. 제 12 항에 있어서
    상기 토출 지연에 따른 상부 슬러리층의 코팅 종료 지점과 하부 슬러리층의 코팅 종료 지점 간의 거리 차이는 3mm 이내인 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 방법.
    ,
  14. 제 8 항에 있어서,
    하부 슬러리층의 평균 두께(D1) 및 상부 슬러리층의 평균 두께(D2)의 비는 1:3 내지 3:1인 전극 슬러리 코팅 방법.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6367133B2 (ko) 1982-05-13 1988-12-23 Sumitomo Bakelite Co

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5700325A (en) 1994-08-03 1997-12-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Coating device and a method of coating
US5728430A (en) * 1995-06-07 1998-03-17 Avery Dennison Corporation Method for multilayer coating using pressure gradient regulation
US5962075A (en) * 1995-06-07 1999-10-05 Avery Dennison Method of multilayer die coating using viscosity adjustment techniques
JP2001170543A (ja) 1999-12-21 2001-06-26 Konica Corp エクストルージョン型ダイ、塗布装置および塗布方法
JP3848519B2 (ja) 2000-05-31 2006-11-22 松下電器産業株式会社 電池電極の製造装置、および電池電極の製造方法
US7288289B2 (en) * 2001-05-22 2007-10-30 Awi Licensing Company Method and apparatus for manufacturing sheet flooring by simultaneous multi-layer die coating
JP2003112101A (ja) 2001-10-01 2003-04-15 Konica Corp 塗布装置及び塗布装置の組み立て方法
US20040247794A1 (en) 2003-06-03 2004-12-09 Fuji Photo Film Co., Ltd. Coating method and coater
JP2005116284A (ja) 2003-10-06 2005-04-28 Fuji Photo Film Co Ltd エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法
TWI428271B (zh) * 2004-06-09 2014-03-01 Smithkline Beecham Corp 生產藥物之裝置及方法
US20060000740A1 (en) 2004-07-01 2006-01-05 Sigur Kenneth M Stackable bottle
CN1846875A (zh) * 2005-04-04 2006-10-18 展茂光电股份有限公司 细缝式涂布工艺的膜厚实时监控方法及其装置
US8142837B2 (en) 2005-05-09 2012-03-27 Panasonic Corporation Method and apparatus for applying electrode mixture paste
JP5051988B2 (ja) * 2005-07-29 2012-10-17 三洋電機株式会社 電極の製造方法、その製造方法に用いる電極の製造装置、及び当該電極の製造方法により製造された電極を用いた電池
TWI496621B (zh) 2010-10-26 2015-08-21 Prologium Technology Co 塗佈頭及其應用之佈漿機
JP5779353B2 (ja) 2011-01-19 2015-09-16 武蔵エンジニアリング株式会社 液体材料の塗布方法、塗布装置およびプログラム
KR20120108484A (ko) 2011-03-24 2012-10-05 주식회사 엘지화학 슬롯다이를 구비한 코팅 장치 및 이를 이용한 코팅방법
US9044894B2 (en) * 2011-06-07 2015-06-02 3M Innovative Properties Company Slot die position adjustment and return to baseline
KR101511732B1 (ko) 2012-04-10 2015-04-13 주식회사 엘지화학 다공성 코팅층이 형성된 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학소자
JP2015100786A (ja) 2013-11-28 2015-06-04 株式会社豊田自動織機 塗工装置
JP6367133B2 (ja) 2015-02-10 2018-08-01 株式会社ヒラノテクシード 塗工装置
JP6539069B2 (ja) 2015-03-09 2019-07-03 東レエンジニアリング株式会社 塗布装置
JP6739425B2 (ja) 2015-05-20 2020-08-12 株式会社エンビジョンＡｅｓｃエナジーデバイス 二次電池用の電極および二次電池の製造方法と製造装置
KR101877101B1 (ko) 2015-07-28 2018-08-09 주식회사 엘지화학 전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 방법
KR101641095B1 (ko) 2016-02-22 2016-07-20 씨아이에스(주) 이차전지용 활물질 코팅장치
US20200295345A1 (en) * 2016-03-11 2020-09-17 Nec Energy Devices, Ltd. Method of manufacturing electrochemical device and electrodes for electrochemical device
JP6611645B2 (ja) 2016-03-23 2019-11-27 株式会社エンビジョンＡｅｓｃジャパン スラリ塗工装置およびスラリ塗工方法
KR102404026B1 (ko) 2016-11-04 2022-05-31 주식회사 엘지에너지솔루션 전극 활물질 슬러리 코팅 장치 및 방법
KR102190114B1 (ko) 2017-08-17 2020-12-11 주식회사 엘지화학 슬롯들의 움직임으로 전극 활물질 슬러리의 코팅 형태가 변환되는 슬롯 다이 코터
CN208173722U (zh) * 2017-08-24 2018-11-30 日立汽车系统株式会社 二次电池
KR102237953B1 (ko) 2018-01-08 2021-04-08 주식회사 엘지화학 전극 슬러리 코팅장치 및 방법
KR102236269B1 (ko) 2018-05-09 2021-04-05 한화정밀기계 주식회사 부품 실장 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6367133B2 (ko) 1982-05-13 1988-12-23 Sumitomo Bakelite Co

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