KR20210139365A - 리튬 이온 셀을 위한 복합 캐소드의 제조 공정 - Google Patents

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아라바무탄 에스
티디 멀시
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인디언 스페이스 리서치 오거너제이션
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Abstract

본 출원은 (i) 활물질, 전도성 희석제, 및 결합제를 혼합하여 플레니터리 혼합기에서 캐소드 슬러리를 형성하는 단계; (ii) 0.2-0.8m/min의 속도로 코팅기에서 알루미늄 포일 기재 위에 슬러리를 코팅하는 단계; 및 (iii) 50-150℃의 온도로 캘린더링기에서 캐소드를 캘린더링 가공하는 단계를 포함하는 리튬 이온 셀을 위한 복합 캐소드의 제조 공정을 제공한다. 본 출원은 추가로 이를 위한 시스템을 개시한다. 캐소드는 200gf/cm보다 큰 박리 강도와 350ppm 미만의 수분 함량을 갖는다. 본 발명에 개시된 캐소드 및 흑연 애노드를 갖는 리튬 이온 셀은 2000 사이클 동안에 테스트될 때 C/2-1C 충방전율 및 100% 방전 심도에서 > 80%의 용량 유지율을 나타냈다.

Description

리튬 이온 셀을 위한 복합 캐소드의 제조 공정
본 발명은 복합 캐소드(composite cathode)의 제조 공정에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 우수한 박리 강도, 비용량 및 용량 유지율을 가진 리튬 이온 셀을 위한 복합 캐소드의 제조 공정에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 리튬 이온 셀은 휴대 전화, 카메라, 랩톱, 그리고 군용, 항공기, 우주 및 전기 차량과 같은 첨단 응용분야 등 다양한 응용 분야의 전력 공급원으로서 상당한 주목을 받고 있다.
일반적으로, 리튬 이온 셀의 주요 구성 요소는 캐소드, 애노드 및 전해질을 포함한다. 리튬 이온 셀의 성능은 사용된 전극의 특성에 영향을 받으며, 결국 전극에 적용된 재료의 유형, 전극 구성 및 전극 처리 기술에 의존한다.
다수의 리튬화 금속 산화물 및 인산염이 리튬 이온 셀의 캐소드용 활물질(active material)로 사용되어 왔다. 리튬 이온 셀에 사용되는 캐소드 재료는 높은 비용량, 우수한 사이클링 성능, 방전용량비(Rate capability) 및 안전 특성을 나타내야 한다. 위성에 응용되는 경우와 같은 일부 경우에는, 셀의 전압을 확인하여 임의의 시점에서 충전 상태를 예측하는 것이 가능하도록 하기 위해, 재료가 평평한 방전 커브 대신에 경사진 방전 커브를 나타낼 것이 요구된다.
특정한 특성을 갖는 리튬 이온 셀에 사용하기 위한 캐소드 재료, 전극 조성물 및 이에 적용될 공정을 개발하기 위해 상당한 양의 연구가 수행되어 왔다.
미국 특허 제5,672,446호는 캐소드가 리튬화 코발트 산화물, 리튬화 망간 산화물, 리튬화 니켈 산화물, LixNi1 - yCoyO2를 포함하는 전기 화학 셀을 개시하고 있으며, 여기서 x는 바람직하게는 약 1이고 y는 바람직하게는 0.1-0.9, LiNiVO4, 또는 LiCoVO4이다.
양호한 비용량과 용량 유지율을 달성하기 위하여, 로딩 레벨, 두께, 수분 함량, 그리고 박리 강도와 같은 바람직한 캐소드 특성들을 갖는 복합 캐소드를 제조하는 효과적인 공정, 그리고 이의 제조 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
본 발명의 목적은 전기 차량, 발사체, 위성, 잠수함, 항공기 등을 포함한 다양한 응용 분야를 위한 우수한 캐소드 특성을 갖는 리튬 이온 셀을 위해서, (i) 활물질, 전도성 희석제, 및 결합제를 혼합하여 플레니터리 혼합기(Planetary mixing machine)에서 캐소드 슬러리를 형성하는 단계; (ii) 0.2-0.8m/min의 속도로 코팅기에서 알루미늄 포일 기재에 슬러리를 코팅하는 단계; 및 (iii) 50-150℃의 온도로 캘린더링기에서 캐소드를 캘린더링 가공하는 단계를 포함하는 리튬 이온 셀을 위한 복합 캐소드 제조 공정을 제공하는 것이다.
아래의 상세한 설명의 목적으로, 본 발명은 명시적으로 달리 특정된 경우를 제외하고는 다양한 대안적인 변형 및 단계적인 순서를 가정할 수 있다는 점을 이해해야 한다. 더욱이, 일부 동작 예에서 또는 달리 표시된 경우를 제외하고, 모든 숫자들, 예를 들어 명세서에서 사용된 성분의 양을 표현하는 숫자는 모든 경우에 "약(about)"이라는 용어에 의해 변경될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 달리 언급되지 않는 한, 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 주어진 모든 백분율은 전체 조성물의 중량 백분율을 지칭한다는 점을 참고해야 한다.
따라서, 본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 물론 변할 수 있는 특별히 예시된 시스템 또는 방법 매개변수로 제한되지 않는다는 점을 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 단지 본 발명의 특정 실시 형태를 설명하기 위한 것이며 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.
본 명세서에서 논의된 임의의 용어의 예시들을 포함하여 본 명세서의 어느 위치에서나 예들을 이용하는 것은 단지 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명 또는 예시된 용어의 범위 및 의미를 결코 제한하지 않는다. 마찬가지로, 본 발명은 본 명세서에 제공된 다양한 실시 형태로 제한되지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 충돌하는 경우에, 정의를 포함하는 본 문서가 우선한다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 사용되는 바와 같이, 단수형의 표현들 "a", "an" 및 "the"는 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어 "중합체"에 대한 언급은 두 개 이상의 이러한 중합체를 포함할 수 있다.
"바람직한" 및 "바람직하게"라는 용어는 특정 상황에서 특정 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 실시 형태를 나타낸다. 그러나 동일하거나 다른 상황하에서 다른 실시 형태가 또한 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 실시 형태의 언급은 다른 실시 형태가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며 본 발명의 범위로부터 다른 실시 형태를 배제하도록 의도되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "포함하는(comprising)" "포함하는(including)", "갖는", "함유하는", "수반하는" 등의 용어는 개방형인 것, 즉 포함하지만 이에 제한되지 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
일 측면에서, 본 출원은:
i. 활물질, 전도성 희석제, 및 결합제를 혼합하여 플레니터리 혼합기에서 캐소드 슬러리를 형성하는 단계;
ii. 0.2-0.8m/min의 속도로 코팅기에서 알루미늄 포일 기재 위에 캐소드 슬러리를 코팅하는 단계; 및
iii. 50-150℃의 온도로 캘린더링기에서 캐소드를 캘린더링 가공(calendering)하는 단계를 포함하는 리튬 이온 셀의 복합 캐소드의 제조 공정을 제공한다.
일 실시 형태에서, 캐소드 슬러리는 활물질, 전도성 희석제 및 결합제를 용매의 존재 하에서 혼합함으로써 플레니터리 혼합기에서 제조된다.
일 실시 형태에서, 활물질은 LiCoO2, LiNixCoyAlzO2, LiNixCoyMnzO2 등으로부터 선택된다. 바람직한 일 실시 형태에서, 활물질은 LiNixCoyAlzO2이다.
일 실시 형태에서, 전도성 희석제는 아세틸렌 블랙, 흑연, 탄소 나노튜브 등, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 바람직한 일 실시 형태에서, 아세틸렌 블랙과 흑연의 혼합물이 전도성 희석제로 사용된다.
아세틸렌 블랙은 단독으로 리튬 이온 셀의 캐소드에서 전도성 희석제로 널리 사용된다. 이는 평균 입경이 수십 나노미터에서 수백 나노미터인 대용량 입자이다. 이 때문에, 아세틸렌 블랙과 활물질의 접촉은 면접촉이 거의 되지 않고 점접촉이 되는 경향이 있다. 결과적으로, 활물질과 전도성 첨가제 사이의 접촉 저항이 높다. 또한, 활물질과 도전성 첨가제 사이의 접촉점을 증가시키기 위해 도전성 첨가제의 함량을 증가시키면 전극에 포함되는 활물질의 함량의 비율이 감소하여, 결국 전지의 방전 용량이 낮아지게 된다. 선행 기술에 존재하는 이러한 결점을 피하기 위해, 아세틸렌 블랙 및 흑연의 혼합물이 본 개시에 따른 전도성 희석제로서 사용된다. 이는 캐소드의 비용량을 증가시킴으로써 성분의 균일한 분포와 바람직한 캐소드 특성을 달성한다.
일 실시 형태에서, 결합제는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) 등으로부터 선택된다. 특정 실시 형태에서, 결합제는 폴리비닐리덴 플루오라이드이다. 결합제는 전극 내의 구성 재료 사이에 양호한 접착력을 제공할 뿐만 아니라 기재에 구성 재료를 결합시킨다. 결합제는 셀에 사용된 재료와 호환되어야 하고, 또한 셀의 동작 전압 윈도우 내에서 전기 화학적 안정성을 나타내야 한다.
일 실시 형태에서, 용매는 1-메틸-2-피롤리디논(NMP), 디메틸 아세트아미드(DMAC), 디메틸 포름아미드(DMF) 등으로부터 선택된다. 바람직한 실시 형태에서, 용매는 1-메틸-2-피롤리디논이다.
이 공정은 플레니터리 혼합기에서 혼합하기 전에 구성 재료를 건조시키는 단계를 수반한다. 캐소드의 수분 함량은 리튬 이온 셀의 효율, 가역 용량 및 사이클 수명에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 캐소드의 수분 함량은 LiNixCoyAlzO2와 같이 습기에 민감한 물질에 매우 중요하게 된다. 따라서, 캐소드 슬러리 제조에 사용되는 구성 성분은 수분을 제거하기 위해 혼합 전에 건조된다.
PVDF를 제외한 분말 재료는 600-700mmHg의 진공 하에서 20-36 시간 동안 150-230℃에서 건조된다. PVDF는 600-700mmHg의 진공 하에서 2-7 시간 동안 50-80℃에서 건조된다.
활물질, 전도성 희석제 및 결합제를 혼합하여 캐소드 슬러리를 형성하는 것은 플레니터리 혼합기에서 수행된다. 캐소드의 구성 성분은 입구를 통해 플레니터리 혼합기로 공급된다. 플레니터리 혼합기는 플레니터리 블레이드(Planetary blades)와 고속 분산기를 포함한다. 플레니터리 혼합기에서 구성 성분을 혼합하는 것은 구성 성분의 균일한 혼합을 보장하고 활물질의 분쇄를 방지하며, 이는 우수한 성능 속성을 갖는 캐소드를 달성하는 데 도움이 된다.
일 실시 형태에서, 플레니터리 블레이드 속도는 40-160rpm의 범위에 있다.
일 실시 형태에서, 분산기 속도는 450-600rpm의 범위에 있다.
구성 성분의 혼합에 채택된 순서는 캐소드의 전기 화학적 특성을 결정하는 데 매우 중요하다. 본 개시에 따르면, 캐소드 슬러리 형성 공정은 고속 분산기를 구비한 플레니터리 혼합기에서 수행된다. 캐소드 슬러리 제조의 첫 번째 단계는 분말 재료를 더 낮은 속도로 건식 혼합한 후 필요한 양의 PVDF 용액을 첨가하는 것을 수반한다. 그런 다음, 계속 혼합하면서 캐소드 슬러리의 점도를 원하는 수준으로 낮추기 위해 NMP를 다른 간격으로 첨가한다.
슬러리 처리는 상대 습도가 2-15%의 범위인 습도 제어 환경에서 수행된다.
특정 실시 형태에서, 슬러리의 점도는 100rpm의 속도에서 2000 내지 15000cps 범위(스핀들 S-06을 사용하여 브룩필드 점도계 RVDV-1 프라임(Brookfield Viscometer RVDV-1 Prime)에서 측정됨)이다. 슬러리의 점도는 전극의 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 점도는 로딩 레벨, 박리 강도 및 이에 따른 사이클링 중 전극 성능의 제어성을 결정한다.
일 실시 형태에서, 활물질은 캐소드 슬러리의 총 중량을 기준으로 47 내지 53 중량%의 범위의 양으로 존재한다.
일 실시 형태에서, 전도성 희석제는 캐소드 슬러리의 총 중량을 기준으로 2 내지 6 중량%의 범위의 양으로 존재한다.
일 실시 형태에서, 결합제는 캐소드 슬러리의 총 중량을 기준으로 2 내지 7 중량%의 범위의 양으로 존재한다.
일 실시 형태에서, 용매는 캐소드 슬러리의 총 중량을 기준으로 38 내지 44 중량%의 범위의 양으로 존재한다.
전극의 구성은 전기 화학적 특성을 결정하는 데 매우 중요하다. 전극에서 활물질의 농도는 전극에 의해 전달되는 용량을 결정한다. 전도성 희석제는 전극의 전도성을 향상시키기 위해 필요하다. 결합제는 전극의 구성 재료 사이에 접착력을 제공할 뿐만 아니라 기재에 구성 재료를 결합시킨다. 높은 활물질 농도는 높은 비용량을 초래한다. 그러나 전도성 희석제 및 결합제의 최적 농도는 셀의 양호한 사이클 수명 및 방전용량비를 위해 필요하다.
추가 단계에서, 공정은 코팅기에서 알루미늄 포일 기재 위에 캐소드 슬러리를 코팅하는 것을 수반한다. 일 실시 형태에서, 알루미늄 포일 기재는 15 내지 25㎛의 범위의 두께를 갖는다.
알루미늄 포일 기재 위에 캐소드 슬러리를 코팅하는 단계는 코팅기에서 수행된다. 플레니터리 혼합기에서 형성된 캐소드 슬러리는 코팅기로 이송된다. 코팅기는 리버스 콤마(reverse comma) 방식으로 작동한다. 리버스 콤마 블레이드와 어플리케이터 사이의 간격은 알루미늄 포일 기재 위에서 활물질의 원하는 로딩 레벨을 얻기 위해 우선 조정된다. 일 실시 형태에서, 갭 설정 값은 150-300㎛의 범위이다.
본 개시에 따른 캐소드 슬러리의 코팅은 a) 슬러리를 슬러리 댐에 공급하여 코팅을 개시하는 단계, b) 리버스 콤마 블레이드와 어플리케이터 사이의 간격을 기준으로 슬러리를 포일에 전달하는 단계, c) 슬러리로 코팅된 포일을 두 개의 가열 구역 사이로 통과시키는 단계, d) 포일의 한 면에 코팅을 완료한 후 반전하여 포일의 다른 면에 코팅을 형성하는 단계를 포함한다.
코팅기는 복수의 가열 구역을 포함한다. 슬러리로 코팅된 포일은 가열 구역을 통과한다. 포일의 한 면에 코팅을 완료한 후 반전하여 포일의 다른 면에 코팅을 한다. 코팅 속도와 온도 값은 두 개의 가열 구역을 통과한 후 캐소드를 건조시키는 것에 기초하여 도달된다.
일 실시 형태에서, 캐소드는 코팅기 내에서 50 내지 150℃의 범위의 온도에서 가열 구역에서 건조된다.
그런 다음 건조된 캐소드는 최종적으로 롤 형태로 권취된다. 일 실시 형태에서, 코팅 속도는 0.2-0.8m/min의 범위이다.
코팅 환경은 특히 LiNixCoyAlzO2와 같이 습기에 민감한 물질의 경우 캐소드의 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 수분 조건이 적절하게 유지되지 않으면, 슬러리가 두꺼워져 코팅 중에 슬러리가 기재에 균일하게 퍼지기 어렵다.
일 실시 형태에서, 코팅 공정은 2 내지 15%의 범위의 상대 습도에서 수행된다. 코팅 후 캐소드는 3-10 시간의 기간 동안에 600-700mmHg의 범위의 진공 하에서 60-100℃의 범위의 온도로 추가로 건조된다. 일 실시 형태에서, 양면 코팅 후 캐소드의 두께는 150 내지 300㎛의 범위이다.
다음 단계에서, 공정은 캘린더링기에서의 캐소드의 캘린더링 가공을 수반한다. 일 실시 형태에서, 캐소드의 캘린더링 가공은 3 내지 5m/min의 속도로 수행된다. 일 실시 형태에서, 캐소드의 캘린더링 가공은 50 내지 150℃의 범위의 온도에서 캘린더링기에서 수행된다.
캘린더링기는 예열 구역, 그리고 캐소드를 가압하기 위한 두 개의 가열된 롤을 포함한다. 롤의 형태로 본 개시에 따라 이와 같이 형성된 캐소드는 예열 구역으로 통과되고 캘린더링기 롤러에서 3-5m/min의 속도로 140-200㎛의 두께를 갖도록 가압된다.
일 실시 형태에서, 예열 구역의 온도는 80 내지 150℃의 범위이다. 일 실시 형태에서 캘린더 롤 온도는 50 내지 100℃의 범위이다.
본 개시에 따라 이와 같이 형성된 캐소드는 흑연 애노드에 조립되어 리튬 이온 셀을 형성한다. 본 개시에 따라 제조된 리튬 이온 셀은 우수한 셀 특성을 나타냈다. 본 개시에 따른 캐소드 및 흑연 애노드를 갖는 리튬 이온 셀은 2000 사이클 동안 테스트될 때 C/2-1C 충방전율에서, 100% 방전 심도로 80%를 초과하는 용량 유지율을 나타냈다.
일 실시 형태에서, 캐소드의 박리 강도는 200 내지 500gf/cm의 범위이다.
일 실시 형태에서, 캐소드의 비용량은 C/10 방전율(C-rate)로 4.1V에서 160-165mAh/g의 범위이다.
본 개시에 따른 리튬 이온 셀을 위한 복합 캐소드는 (i) 70 내지 93%의 LiNixCoyAlzO2(여기서, x=0.8, y=0.15, 및 z=0.05); (ii) 2 내지 15%의 아세틸렌 블랙; (iii) 2 내지 15%의 흑연; 및 (iv) 2 내지 15%의 폴리비닐리덴 플루오라이드을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 복합 캐소드의 활물질은 또한 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 철 인산염 등일 수 있다.
아래의 실시예는 청구된 발명을 더 잘 설명하기 위해 제공되며 어떤 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 아래에 설명된 모든 특정 재료 및 방법은 본 발명의 범위에 속한다. 이러한 특정 조성물, 재료 및 방법은 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 단지 본 발명의 범위 내에 속하는 특정 실시 형태를 예시하기 위한 것이다. 당업자는 발명 능력의 행사 없이 그리고 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 균등한 재료 및 방법을 개발할 수 있다. 그러한 변형이 본 발명의 범위 내에 포함되는 것이 본 발명자의 의도이다.
실시예 :
우수한 셀 특성을 가진 리튬 이온 셀을 위한 복합 캐소드의 제조가 다음 실시예에 설명된다.
실시예 1
LiNixCoyAlzO2 기반 캐소드에 대한 전극 처리는 이하에 설명된다:
캐소드는 활물질로서 LiNixCoyAlzO2, 전도성 희석제로서 아세틸렌 블랙과 흑연의 혼합물, 및 결합제로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 포함하여 구성된다. 전극 조성은 LiNixCoyAlzO2: 85-90%, 아세틸렌 블랙: 3-6%, 흑연 4-7%, PVDF: 3-8%이다. 1-메틸-2-피롤리디논(NMP)은 전극 슬러리의 처리를 위한 용매로 사용된다. 활물질, 전도성 희석제, 및 PVDF는 혼합 전에 진공 하에서 건조된다. 전극 처리에는 슬러리 제조, 전극 코팅, 및 캘린더링 가공이 수반된다.
슬러리 제조는 고속 분산기를 구비한 플레니터리 혼합기에서 수행된다. 슬러리 제조는 혼합기에서 LiNixCoyAlzO2와 전도성 희석제를 플레니터리 블레이드 속도 50-80rpm 및 분산기 속도 450-500rpm으로 건식 혼합한 후, 50-150rpm의 플레니터리 블레이드 속도로 계속 혼합하면서 다른 시간 간격으로 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 첨가하고 NMP를 첨가한다. NMP의 부피는 60-62%의 슬러리 고형분 함량을 획득하도록 조정된다.
전극 코팅은 리버스 콤마 방식으로 작동하는 코팅기에서 수행된다. 두께 15㎛의 알루미늄 포일을 코팅에 사용하였다. 리버스 콤마 블레이드와 어플리케이터 사이의 간격은 180-230㎛의 간격을 갖도록 조정되었다. 슬러리는 슬러리 댐에 로딩되고 코팅이 수행된다. 코팅은 0.4-0.7m/min의 속도로 수행된다. 가열 구역의 온도는 70-130℃로 유지된다. 건조 후 전극은 기계에서 롤 형태로 수집된다. 그런 다음 전극은 진공 하에서 5-7 시간 동안 60-100℃에서 건조된다. 양면 코팅 후 전극의 두께는 180-220㎛이다.
전극의 캘린더링 가공은 예열 구역과 캘린더 롤을 가진 캘린더링기에서 수행된다. 예열 온도는 100-120℃이고 캘린더 롤 온도는 50-80℃이다. 롤 형태의 전극은 4-5m/min의 속도로 예열 롤과 캘린더 롤을 통과하여 140-170㎛의 최종 전극 두께를 획득한다.
실시예 2
LiNixCoyMnzO2 기반 캐소드에 대한 전극 처리는 이하에 설명된다:
캐소드는 활물질로서 LiNixCoyMnzO2, 전도성 희석제로서 아세틸렌 블랙과 흑연의 혼합물, 및 결합제로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 포함하여 구성된다. 전극 조성은 LiNixCoyMnzO2: 86-93%, 아세틸렌 블랙: 2-5%, 흑연: 3-7%, PVDF: 2-6%이다. NMP는 용매로 사용된다. 활물질, 전도성 희석제 및 PVDF는 혼합 전에 진공 하에 건조된다. 전극 처리에는 슬러리 제조, 전극 코팅 및 캘린더링 가공이 수반된다.
슬러리 제조는 고속 분산기를 가진 플레니터리 혼합기에서 수행된다. NMP 내에 PVDF의 5-10%(중량 기준) 용액을 준비한다. LiNixCoyMnzO2와 전도성 희석제의 건식 혼합은 50-100rpm의 플레니터리 블레이드 속도 및 450-550rpm의 분산기 속도로 혼합기에서 수행된다.
그리고 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 첨가한 다음, 60-150rpm의 플레니터리 블레이드 속도로 계속 혼합하면서 NMP를 다른 시간 간격으로 첨가한다. NMP의 부피는 58-62%의 슬러리 고형분 함량을 획득하도록 조정된다.
전극 코팅은 리버스 콤마 방식으로 작동하는 코팅기에서 수행된다. 20㎛ 두께의 알루미늄 포일을 코팅에 사용하였다. 리버스 콤마 블레이드와 어플리케이터 사이의 간격은 230-250㎛의 간격이 되도록 조정되었다. 슬러리는 슬러리 댐에 로딩되고 코팅이 수행된다. 코팅은 0.3-0.7m/min의 속도로 수행된다. 가열 구역의 온도는 80-130℃로 유지된다. 건조 후 전극은 기계에서 롤 형태로 수집된다. 그런 다음 전극을 진공 하에서 5-7 시간 동안 80-100℃에서 건조한다. 양면 코팅 후 전극의 두께는 200-240㎛이다.
전극의 캘린더링 가공은 예열 구역과 캘린더 롤을 가진 캘린더링기에서 수행된다. 예열 온도는 100-120℃이고 캘린더 롤 온도는 60-90℃이다. 롤 형태의 전극은 4-5m/min의 속도로 예열 롤과 캘린더 롤을 통과하여 160-190㎛의 최종 전극 두께를 획득한다.
실시예 3
LiCoO2 기반 캐소드에 대한 전극 처리는 이하에 설명된다:
캐소드는 활물질로서 LiCoO2, 전도성 희석제로서 아세틸렌 블랙과 흑연의 혼합물, 그리고 결합제로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 포함하여 구성된다. 전극 조성은 LiCoO2: 87-93%, 아세틸렌 블랙: 2-5%, 흑연: 2-4%, PVDF: 3-5%이다. 1-메틸-2-피롤리디논(NMP)은 전극 슬러리의 처리를 위한 용매로 사용된다. 활물질, 전도성 희석제, 및 PVDF는 진공 하에서 건조된다. 전극 처리에는 슬러리 제조, 전극 코팅 및 캘린더링 가공이 수반된다.
슬러리 제조는 고속 분산기를 가진 플레니터리 혼합기에서 수행된다. 슬러리 제조는 40-90rpm의 플레니터리 블레이드 속도와 450-550rpm의 분산기 속도로 혼합기에서 LiCoO2와 전도성 희석제의 건식 혼합을 수반하고, 50-150rpm의 플레니터리 블레이드 속도로 계속 혼합하면서 다른 시간 간격으로 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 첨가하고 NMP를 첨가한다. NMP의 부피는 57-60%의 슬러리 고형분 함량을 획득하도록 조정된다.
전극 코팅은 리버스 콤마 방식으로 작동하는 코팅기에서 수행된다. 코팅에는 두께 15-20㎛의 알루미늄 포일이 사용된다. 리버스 콤마 블레이드와 어플리케이터 사이의 간격은 250-300㎛의 간격이 되도록 조정되었다. 슬러리는 슬러리 댐에 로딩되고 코팅이 수행된다. 코팅은 0.4-0.6m/min의 속도로 수행된다. 가열 구역의 온도는 75-135℃로 유지된다. 건조 후 전극은 기계에서 롤 형태로 수집된다. 그런 다음 전극을 진공 하에서 5-7 시간 동안 70-100℃에서 건조한다. 코팅 후 전극의 두께는 260-300㎛이다.
전극의 캘린더링 가공은 예열 구역과 캘린더 롤을 가진 캘린더링기에서 수행된다. 예열 온도는 100-120℃이고 캘린더 롤 온도는 50-80℃이다. 롤 형태의 전극은 4-5m/min의 속도로 예열 롤과 캘린더 롤을 통과하여 170-200㎛의 최종 전극 두께를 획득한다.
복합 캐소드의 성능 속성(LiNixCoyAlzO2에 대하여)
S No 캐소드 특성 값
1 박리 강도 > 200gf/cm
2 로딩 레벨 10-20mg/cm2
3 두께 100-200㎛
4 수분 함량 < 350ppm
5 비용량 C/10 방전율로 4.1V에서 160-165mAh/g
복합 캐소드를 포함하는 리튬 이온 셀의 성능 속성(LiNixCoyAlzO2 및 흑연 애노드 기반)
S No 리튬 셀 특성 값
1 사이클 수명 2000(C/2 충전, 1 C 방전, @100 % 방전 심도)
2 용량 유지율 > 80%
3 쿨롱 효율 > 99%

Claims (19)

  1. 리튬 이온 셀용 복합 캐소드의 제조 공정으로서,
    i. 활물질, 전도성 희석제, 및 결합제를 혼합하여 플레니터리 혼합기에서 캐소드 슬러리를 형성하는 단계;
    ii. 0.2-0.8m/min의 속도로 코팅 구역에서 알루미늄 포일 기재 위에 상기 슬러리를 코팅하는 단계; 및
    iii. 50-150℃의 온도로 캘린더링기에서 상기 캐소드를 캘린더링 가공하는 단계를 포함하는, 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공정은,
    상기 플레니터리 혼합기에서 혼합하기 전에 상기 구성 성분을 건조시키는 단계를 포함하는, 공정.
  3. 제1항에 있어서,
    단계 (i)은 용매의 존재 하에서 수행되는, 공정.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활물질은, LiCoO2, LiNixCoyAlzO2, LiNixCoyMnzO2로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 희석제는, 아세틸렌 블랙, 흑연으로부터 선택되는, 공정.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 희석제는, 아세틸렌 블랙과 흑연의 조합인, 공정.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 결합제는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용매는, 1-메틸-2-피롤리디논(NMP), 디메틸 아세트아미드(DMAC), 디메틸 포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 활물질의 양은, 상기 캐소드 슬러리의 총 중량을 기준으로 47 내지 53 중량%의 범위인, 공정.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 희석제의 양은, 상기 캐소드 슬러리의 총 중량을 기준으로 2 내지 6 중량%의 범위인, 공정.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 결합제의 양은, 상기 캐소드 슬러리의 총 중량을 기준으로 2 내지 7 중량%의 범위인, 공정.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용매의 양은, 상기 캐소드 슬러리의 총 중량을 기준으로 38 내지 44 중량%의 범위인, 공정.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 활물질 및 전도성 희석제는, 먼저 건식 혼합된 후, 계속 혼합하면서 상이한 시간 간격으로 결합제 용액이 첨가되고 용매가 추가로 첨가되는, 공정.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 포일 기재는, 15 내지 25㎛의 범위의 두께를 가지는, 공정.
  15. 제1항에 있어서,
    코팅 후 상기 캐소드의 두께는, 150 내지 300㎛의 범위인, 공정.
  16. 제1항에 있어서,
    캘린더링 후 상기 캐소드의 최종 두께는, 140 내지 200㎛의 범위인, 공정.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 전극 코팅이 수행되는 실내의 상대 습도는, 2 내지 15%의 범위인, 공정.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 공정은,
    코팅기에서 50 내지 150℃의 범위의 온도로 코팅 후 건조 구역에서 상기 캐소드를 건조하는 단계를 포함하는, 공정.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드의 상기 캘린더링 가공은, 3 내지 5m/min의 속도 및 50 내지 150℃의 범위의 온도에서 수행되는, 공정.
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