KR20220057296A - 전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법 - Google Patents

전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법에 관한 것으로, 전극 슬러리 1차 코팅 및 건조 과정을 거친 전극 집전체가 히트 파이프 가이드 롤러를 경유함으로써, 전극 슬러리 2차 코팅시 균일한 코팅이 가능하다.

Description

전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법{ELECTRODE MANUFACTURING SYSTEM HAVING COTATING UNIFORMITY OF ELECTRODE SLURRY AND ELECTRODE MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 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.
이차전지에 대한 적용 분야가 넓어짐에 따라 보다 고용량의 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있다. 이차전지의 용량을 높이는 방법으로, 전극 합제층의 로딩량을 높이는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 이차전지용 전극은 집전체 상에 전극 슬러리를 코팅한 후 건조 및 압연 과정을 거쳐 제조한다. 그러나, 전극 합제층의 로딩량을 높이기 위해서는, 집전체 상에 다량의 전극 슬러리를 코팅해야 한다. 전극 슬러리의 코팅량을 증가시키기 위해서는, 보다 높은 수준의 코팅 균일성이 요구된다.
도 1은 종래의 전극 제조 과정을 도시한 것이다. 도 1은 코팅 롤러 상에 위치한 전극 집전체 상에 전극 슬러리 슬롯 다이를 통해 전극 슬러리를 토출하는 과정을 도시한 것이다. 도 1에서, 전극 슬러리 슬롯 다이(20)는 일방향(R)으로 회전하는 코팅 롤러(30) 상을 경유하는 집전체층(10) 상에 전극 슬러리를 토출한다. 전극 집전체(10)는 일방향(R)으로 회전하는 코팅 롤러(30)를 경유하면서 MD 방향(Mechanical Direction, F)으로 이송된다. 전극 슬러리 슬롯 다이(20)는 전극 슬러리 토출부(21)를 통해 전극 집전체(30) 상에 전극 슬러리를 토출 및 건조하는 과정을 거쳐, 전극 집전체(10) 상에 특정 폭(D)의 전극 슬러리가 코팅된 전극 합제층(31)을 형성한다.
전극 합제층(11)의 두께를 일정하게 유지하기 위해서는, 전극 슬러리 토출부(21)와 코팅 롤러(10) 사이의 간격을 일정하게 제어하여야 한다. 종래에는, 전극 슬러리 코팅 시스템은 외기 온도를 고려하여 코팅 롤러(30)의 위치 혹은 외경을 변화시키는 시도가 있었다. 그러나, 이러한 시도는 전극 집전체(10) 일면에 전극 슬러리를 코팅하는 과정만을 고려한 것이다.
따라서, 전극 슬러리를 전극 집전체의 양면에 효과적으로 코팅하는 기술에 대한 필요성이 있다.
한국공개특허공보 제2006-0111848호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전극 집전체에 전극 슬러리를 양면 코팅시, 코팅 균일성을 구현할 수 있는 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 제조 방법을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면 면인 제1 면에 전극 슬러리를 토출하는 제1 코팅부; 제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 1차 건조로; 제1 건조로를 거친 전극 집전체를 가열하여 전극 집전체의 폭방향 온도 편차를 저감하는 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러; 전극 집전체가 제2 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제2 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면 면인 제2 면에 전극 슬러리를 토출하는 제2 코팅부; 및 제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 2차 건조로를 포함한다.
구체적인 하나의 예에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 위치한다.
보다 구체적인 하나의 예에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 2 내지 4개 위치한다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 제2 코팅부에서, 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리는 하기 조건 1을 만족한다.
[조건 1]
| Gapside - Gapcenter | < 5 ㎛
조건 1에서,
Gapside는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타내고,
Gapcenter는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 사이드부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타낸다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 제1 코팅부 전단에 형성되어 전극 집전체를 제1 코팅부로 공급하는 언와인더부; 및 2차 건조로 후단에 형성되어 전극 슬러리 코팅 및 건조가 완료된 전극 기재를 권취하는 리와인더부를 포함한다.
구체적인 하나의 예에서, 상기 전극 제조 시스템은, 언와인더부에서 공급된 이후부터 리와인더부에 권취될 때까지, 전극 집전체를 연속적으로 이송하는 컨베이어 라인을 포함한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 1차 건조로와 제2 코팅부 사이에 위치하되, 전극 집전체의 제1 면과 제2 면의 위치를 반전시키는 리버스 롤러를 포함한다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 히트 파이프 가이드 롤러 상을 경유하는 전극 집전체의 표면 온도를 검출하는 온도 센서를 포함한다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전극 제조 시스템을 적용한 전극 제조 방법을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 제1 코팅 롤러에 지지된 상태에서 전극 집전체의 제1 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제1 코팅 단계; 제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 1차 건조 단계; 제1 건조 단계를 거친 전극 집전체가 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러를 경유하는 온도 편차 저감 단계; 전극 집전체가 제2 코팅 롤러에 지지된 상태에서, 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제2 코팅 단계; 및 제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 2차 건조 단계를 포함한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 온도 편차 저감 단계를 거친 전극 집전체의 영역별 온도는 하기 조건 2를 만족한다.
[조건 2]
| Tside - Tcenter | < 1.5 (℃)
조건 1에서,
Tside는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 10% 및 90% 지점에서의 온도의 평균값을 나타내고,
Tcenter는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 중심 지점에서의 온도를 나타낸다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 제1 코팅 단계 내지 2차 건조 단계는 연속 공정에 의해 수행된다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 1차 건조 단계를 거친 전극 집전체에 대하여, 제1 면과 제2 면을 반전시키는 리버스 단계를 포함한다.
구체적인 예에서, 본 발명에서 제조 대상이 되는 전극은 파우치형 이차전지용 전극이다.
본 발명에 따른 전극 제조 시스템 및 방법은, 전극 집전체 일면에 전극 슬러리 1차 코팅후 건조 과정에서 발생하는 온도 변화에도 불구하고 전극 슬러리 2차 코팅시 전극 슬러리 슬롯 다이의 토출구와 전극 집전체 사이의 간격을 일정하게 제어함으로써 균일한 전극 슬러리 코팅이 가능하다.
도 1은 종래의 방식으로, 코팅 롤러 상에 위치한 전극 집전체 상에 전극 슬러리 슬롯 다이를 통해 전극 슬러리를 토출하는 과정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템을 도시한 모식도이다.
도 3은, 히트 파이프 가이드 롤러를 경유한 전극 집전체의 표면 온도를 열화상 카메라로 촬영한 결과이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템을 도시한 모식도이다.
도 5는 전극 집전체가 3개의 히트 파이프 가이드 롤러를 거치면서 표면 온도의 변화를 열화상 카메라로 촬영한 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템에서 히트 파이프 가이드 롤러의 형성 위치를 표시한 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 발명은 전극 제조 시스템을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면 면인 제1 면에 전극 슬러리를 토출하는 제1 코팅부; 제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 1차 건조로; 제1 건조로를 거친 전극 집전체를 가열하여 전극 집전체의 폭방향 온도 편차를 저감하는 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러; 전극 집전체가 제2 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제2 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면 면인 제2 면에 전극 슬러리를 토출하는 제2 코팅부; 및 제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 2차 건조로를 포함한다.
상기 히트 파이프 가이드 롤러의 개수는 1 내지 15개, 1 내지 10개, 1 내지 5개, 2 내지 4개 또는 2 내지 3개 범위이다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러를 형성함으로써, 1차 건조로를 거친 전극 집전체를 폭 방향으로 온도를 균일하게 조절하고, 전극 슬러리 2차 코팅시 전극 슬러리 슬롯 다이의 토출구와 전극 집전체 사이의 간격을 일정하게 제어 가능하다.
하나의 실시예에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 위치한다. 본 발명에서, 1차 건조로를 거친 전극 집전체가 제2 코팅부에 도입되기 전에 상기 히트 파이프 가이드 롤러를 경유하게 된다. 예를 들어, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는 1차 건조로 출구, 앞서 설명한 경유의 중간 지점 및/또는 제2 코팅부 도입 전 지점 등에 형성 가능하다.
구체적인 하나의 실시예에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 2 내지 4개 위치한다. 본 발명에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는 1개 또는 그 이상 형성 가능하다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러가 1개 형성된 경우에는 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차를 2℃ 이하로 제어할 수 있다. 나아가, 상기 히트 파이프 가이드 롤러가 2개 이상 형성된 경우에는 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차를 1℃ 이하로 제어할 수 있다. 다만, 히트 파이프 가이드 롤러가 5개 이상 적용되는 경우에는 그에 따른 효율이 감소함을 실험적으로 확인하였다.
하나의 실시예에서, 상기 제2 코팅부에서, 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리는 하기 조건 1을 만족한다.
[조건 1]
| Gapside - Gapcenter | < 5 ㎛
조건 1에서,
Gapside는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타내고,
Gapcenter는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 사이드부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타낸다.
본 발명에서 롤러의 '중심부'는 상기 롤러의 폭 방향 혹은 TD 방향 길이를 기준으로 중간 지점을 의미한다. 또한, 롤러의 '사이드부'는 상기 롤러의 폭 방향 혹은 TD 방향 길이를 기준으로 10% 지점 및/또는 90% 지점을 의미한다. 예를 들어, 롤러의 '사이드부'의 이격거리 혹은 온도는 상기 롤러의 폭 방향 혹은 TD 방향 길이를 기준으로 10% 지점 및 90% 지점에서 각각 측정된 수치의 평균값을 나타낸다.
전극 제조시, 전극 집전체의 양면에 각각 전극 합제층을 형성하는 공정이 적용되고 있다. 1차 코팅 및 1차 건조를 거친 전극 기재는, 냉각이 완료되지 않은 상태에서 2차 코팅에 도입된다. 1차 건조 후 냉각이 완료되지 않은 전극 집전체가 2차 코팅에 도입되면, 코팅 롤러에 열이 전달된다. 전달된 열에 의해 코팅 롤러는 가열되고, 영역 별로 서로 다른 부피 팽창을 보이게 된다.
본 발명에서는, 제2 코팅 수행 전, 전극 집전체에 대한 폭 방향 온도를 미리 제어함으로써, 제2 코팅부에서, 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 일정하게 유지하게 된다. 앞서 설명한 조건 1의 수치는 5 ㎛ 이하이고, 구체적으로는, 0.01 내지 5 ㎛ 범위, 0.1 내지 5 ㎛ 범위, 1 내지 5 ㎛ 범위, 1.5 내지 4.5 ㎛ 범위, 2 내지 4 ㎛ 범위 또는 1 내지 3 ㎛ 범위이다. 본 발명에서, 상기 조건 1이 0 ㎛를 만족하는 경우는, 실질적으로 제2 코팅 롤러의 입경이 영역별로 완전히 동일함을 의미하며, 0.01 ㎛인 경우는 측정 한계를 고려한 수치이다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 제1 코팅부 전단에 형성되어 전극 집전체를 제1 코팅부로 공급하는 언와인더부; 및 2차 건조로 후단에 형성되어 전극 슬러리 코팅 및 건조가 완료된 전극 기재를 권취하는 리와인더부를 포함한다. 금속 호일 형태의 전극 집전체는 언와인더부에 권취된 상태에서 공급된다. 공급된 전극 집전체는 제1 면에 전극 슬러리를 토출하는 제1 코팅부, 1차 건조로, 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 토출하는 제2 코팅부, 및 2차 건조로를 순차적으로 경유한 후, 리와인더부에 권취된다. 전극 슬러리의 양면 코팅 및 건조가 완료된 전극 집전체는 리와인더부에서 권취된 상태로, 다음 단계인 슬리팅부 내지 타발부 등을 거치게 된다.
구체적인 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 언와인더부에서 공급된 이후부터 리와인더부에 권취될 때까지, 전극 집전체를 연속적으로 이송하는 컨베이어 라인을 포함한다. 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은 연속 공정을 통해 전극을 제조함으로써 공정 효율을 높이고 제품 균일도를 높일 수 있다. 상기 컨베이어 라인은 전극 집전체를 연속적으로 공급 및 이송하고, 상기 전극 집전체는 제1 코팅부, 1차 건조로, 제2 코팅부 및 2차 건조로를 순차적으로 경유하게 된다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 1차 건조로와 제2 코팅부 사이에 위치하되, 전극 집전체의 제1 면과 제2 면의 위치를 반전시키는 리버스 롤러를 포함한다. 예를 들어, 제1 코팅부와 1차 건조로를 거친 전극 집전체는 리버스 롤러에 의해 상하면의 위치가 뒤바뀌는 과정을 거친 후, 제2 코팅부에 도입된다. 이 경우, 전극 집전체는 MD 방향으로 진행하되, TD 방향으로 상하 위치가 반전된다. 또 다른 예를 들어, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은 제1 코팅부 및 1차 건조로를 하단에 위치하고, 제2 코팅부를 상단에 위치함으로써, 2차 건조로를 거친 전극 집전체의 진행 방향(MD 방향)은 제1 방향에서 수직인 제2 방향으로 변경되면서 제2 코팅부를 경유하게 된다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 제2 코팅 롤러의 영역별 표면 온도를 검출하는 온도 센서를 포함한다. 상기 온도 센서는 제2 코팅 롤러의 전체 평균 온도를 측정하는 것도 가능하나, 제2 코팅 롤러를 TD 방향으로 다수의 영역으로 분할하고 분할된 각 영역별로 온도 측정을 수행할 수 있다. 제2 코팅 롤러를 TD 방향으로 3 내지 10 개의 영역으로 분할하고 분할된 각 영역별로 온도 측정을 수행함으로써, 각 영역별로 제2 코팅부의 슬러리 토출부와의 이격 거리를 예측 내지 산출하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전극 제조 시스템을 이용한 전극 제조 방법을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 제1 코팅 롤러에 지지된 상태에서 전극 집전체의 제1 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제1 코팅 단계; 제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 1차 건조 단계; 제1 건조 단계를 거친 전극 집전체가 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러를 경유하는 온도 편차 저감 단계; 전극 집전체가 제2 코팅 롤러에 지지된 상태에서, 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제2 코팅 단계; 및 제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 2차 건조 단계를 포함한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 온도 편차 저감 단계를 거친 전극 집전체의 영역별 온도가 하기 조건 2를 만족한다.
[조건 2]
| Tside - Tcenter | < 2 (℃)
조건 1에서,
Tside는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 10% 및 90% 지점에서의 온도의 평균값을 나타내고,
Tcenter는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 중심 지점에서의 온도를 나타낸다.
구체적으로, 상기 조건 2에서, 전극 집전체의 중심부 온도(Tcenter)와 사이드부 온도(Tside) 사이의 편차는, 2℃ 이하, 0.01 내지 2℃ 범위, 0.1 내지 2℃ 범위, 0.2 내지 2℃ 범위, 1.2 내지 2℃ 범위, 0.2 내지 0.9℃ 범위 또는 0.3 내지 0.7℃ 범위이다. 본 발명은 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 영역별 온도 편차를 최소화시키며, 구체적으로는 특정 범위에 제어하게 된다. 이를 통해, 상기 제2 코팅 단계에서, 전극 집전체 상에 토출되는 전극 슬러리의 토출량을 일정하게 제어하게 된다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 제1 코팅 단계 내지 2차 건조 단계는 연속 공정에 의해 수행한다. 이는, 전극 집전체를 연속적으로 이송하는 컨베이어 라인 등을 통해 수행 가능하며, 공정 효율과 제품 균일성을 높일 수 있다.
또 다른 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 1차 건조 단계를 거친 전극 집전체에 대하여, 제1 면과 제2 면을 반전시키는 리버스 단계를 수행할 수 있다. 이러한 리버스 단계를 리버스 롤러 등을 통해 수행 가능하며, 전극 슬러리가 제1 면에 코팅된 전극 집전체를 1차 건조한 후, 상기 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 코팅하기 위한 것이다.
구체적인 실시예에서, 본 발명에서 제조 대상이 되는 전극은 파우치형 이차전지용 전극이다. 또한, 상기 전극 슬러리는 전극 활물질을 포함하는 슬러리 상태의 조성을 총칭한다. 상기 양극 또는 음극은 이차전지용 전극을 의미하고, 구체적으로는 리튬 이차전지용 전극을 의미한다.
하나의 예에서, 상기 전극은 리튬 이차전지의 양극 및/또는 음극을 의미한다.
상기 양극은, 양극 집전체 상에 이층 구조의 양극 활물질층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 양극 활물질층은 양극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은, LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상도 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 활물질층 중에 94.0 내지 98.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 양극 활물질의 함량이 상기 범위를 만족할 때 고용량 전지의 제작, 그리고 충분한 양극의 도전성이나 전극재간 접착력을 부여하는 면에서 유리하다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 전기화학소자의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
양극 활물질층은 도전재를 더 포함한다. 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 음극은, 음극 집전체의 상에 이층 구조의 음극 활물질층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 음극 활물질층은 음극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 음극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 포함할 수 있다. 음극 활물질로서 탄소재가 사용되는 경우, 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극에 사용되는 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
또한, 상기 음극은 당해 분야에 통상적으로 사용되는 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
이하, 도면을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
(제1 실시 형태)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템을 도시한 모식도이다. 도 2를 참조하면, 언와인더(151)로부터 전극 집전체(110)가 공급된다. 공급된 전극 집전체(110)는 제1 코팅 롤러(131) 위를 경유한다. 전극 집전체(110)가 제1 코팅 롤러(131)를 경유하는 시점에, 전극 슬러리 슬롯 다이(121)로부터 전극 슬러리가 토출되어 전극 집전체(110)의 제1 면에 제1 전극 합제층(111)을 형성한다. 전극 집전체(110)는 1차 건조로(141)를 거친 후 리버스 롤러(미도시)에 의해 제1 면과 제2 면이 반전된다. 전극 집전체(110)는 제2 코팅 롤러(132) 위를 경유하고, 이 때 제2 전극 슬러리 슬롯 다이(122)로부터 전극 슬러리가 토출되어 제2 전극 합제층(112)을 형성한다. 그런 다음, 전극 집전체(110)는 2차 건조로를 경유한 후, 리와인더(152)에서 권취된다.
도 2에서, 1차 건조로(141)를 거친 전극 집전체(110)는 냉각이 완료되지 않은 상태에서 제2 코팅 롤러(132)를 경유하게 된다. 이 때, 제2 코팅 롤러(132)는 냉각이 완료되지 않은 전극 집전체(110)에 의해 표면이 불균일하게 가열된다. 불균일하게 가열된 제2 코팅 롤러(132)는 영역별로 서로 다른 부피 팽창이 유발되고, 가열된 온도에 따라 제2 전극 슬러리 슬롯 다이(122)의 토출부와의 이격 거리가 불균일해지는 문제가 있다.
본 발명에서는, 1차 건조로(141)를 거친 전극 집전체(110)가 히트 파이프 가이드 롤러를 경유하게 된다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러(101)는 히팅 코일 또는 항온수 유로 등이 내장된 구조이다. 이를 통해, 히트 파이프 가이드 롤러(101)는 전극 집전체(110)를 폭 방향으로 균일한 온도를 갖도록 제어하는 역할을 수행한다.
도 3은, 히트 파이프 가이드 롤러(101)를 경유하는 전극 집전체(110)의 표면 온도를 열화상 카메라로 촬영한 결과이다. 도 3을 참조하면, 1차 건조로(141)를 거쳐 가열된 상태의 전극 집전체(110)는 폭 방향(TD 방향)으로 온도가 불균일한 것을 확인할 수 있다. 상기 전극 집전체(110)는 히트 파이프 가이드 롤러(101)를 거치면서, 이러한 온도 불균일이 큰 폭으로 해소되었음을 알 수 있다.
본 발명에서는, 1차 건조로(141)의 출구쪽에 상기 히트 파이프 가이드 롤러(101)를 위치함으로써, 전극 집전체(110)의 폭 방향 온도 불균일을 효과적으로 해소할 수 있음을 확인하였다.
(제2 실시 형태)
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템을 도시한 모식도이다. 도 4를 참조하면, 언와인더(151)로부터 공급된 전극 집전체(110)가 1 코팅 롤러(131)와 전극 슬러리 슬롯 다이(121)를 포함하는 제1 코팅부; 1차 건조로(141); 제2 코팅 롤러(132)와 제2 전극 슬러리 슬롯 다이(122)를 포함하는 제2 코팅부; 및 2차 건조로(142)를 거쳐 리와인더(152)에 권취된다. 1차 건조로(141)와 제2 코팅부 사이의 전극 집전체(110) 이동 경로 상에는 3개의 히트 파이프 가이드 롤러(101, 102, 103)가 위치한다. 각 히트 파이프 가이드 롤러(101, 102, 103)는 1차 건조로(141) 출구, 중간 지점, 및 제2 코팅부 도입 전 지점에 각각 위치한다.
또한, 도 5는 전극 집전체(110)가 3개의 히트 파이프 가이드 롤러(101, 102, 103)를 거치면서 표면 온도의 변화를 열화상 카메라로 촬영한 결과를 나타낸 모식도이다. 1차 건조로(141)를 거쳐 가열된 상태의 전극 집전체(110)는 폭 방향(TD 방향)으로 온도가 불균일한 상태이고, 3개의 히트 파이프 가이드 롤러(101, 102, 103)를 순차적으로 경유하면서 온도 불균일 상태가 급격히 완화되는 것을 알 수 있다.
(제3 실시 형태)
본 발명에서는 히트 파이프 가이드 롤러의 위치에 따른 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차를 측정하였다. 구체적으로는, 전극 제조 시스템에서, 히트 파이프 가이드 롤러를 각각 1개 설치하였고, 그 위치는 도 6에 도시된 도면 부호 (1) 내지 (5)로 표시된 지점이다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러의 표면 온도는 30℃로 제어하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었다. 표 1에서, 사이드부 온도는 전극 집전체의 폭 방향 길이를 기준으로 10% 및 90% 지점에서 각각 측정한 온도의 평균치이고, 중앙부 온도는 전극 집전체의 폭 방향 길이를 기준으로 중간 지점의 온도이다. 실시예 1 내지 3에서, 전극 집전체의 온도는, 전극 집전체가 제2 코팅부 도입전(위치: (5)) 지점에서 측정한 것이다.
실시예 NO. 위치 사이드부 온도(℃) 중앙부 온도(℃) 편차(℃)
실시예 1 (1) 1차 건조로 출구 36.8 38.3 1.5
실시예 2 (3) 중간 지점 32.3 34.1 1.8
실시예 3 (5) 제2 코팅부 도입전 26.9 28.8 1.9
표 1을 참조하면, 하나의 히트 파이프 가이드 롤러를 적용할 경우에는 전극 집전체의 사이드부와 중앙부의 온도 편차가 2℃ 이하로 제어됨을 알 수 있다. 히트 파이프 가이드 롤러의 적용 위치에 따라 상기 온도 편차를 달라질 수 있으나, 1차 건조로의 출구와 인접하게 위치할수록 온도 편차 저감 효과가 우수한 것을 알 수 있다.
참고로, 비교예로서, 히트 파이프 가이드 롤러를 적용하지 않은 경우, 제2 코팅부 도입전(위치: (5)) 지점에서 측정한 전극 집전체의 사이드부와 중앙부의 온도 편차는 2.8℃인 것으로 측정되었다.
(제4 실시 형태)
본 발명에서는 히트 파이프 가이드 롤러의 위치에 따른 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차를 측정하였다. 구체적으로는, 전극 제조 시스템에서, 히트 파이프 가이드 롤러를 각각 2 내지 5개 설치하였고, 그 위치는 도 5에 도시된 도면 부호 (1) 내지 (5)로 표시된 지점이다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러의 표면 온도는 30℃로 제어하였다. 측정 결과는 하기 표 2에 나타내었다. 표 2에서, 사이드부 온도는 전극 집전체의 폭 방향 길이를 기준으로 10% 및 90% 지점에서 각각 측정한 온도의 평균치이고, 중앙부 온도는 전극 집전체의 폭 방향 길이를 기준으로 중간 지점의 온도이다. 전극 집전체의 온도는, 전극 집전체가 제2 코팅부 도입전(위치: (5)) 지점에서 측정한 것이다.
실시예 NO. 개수(개) 위치 사이드부 온도(℃) 중앙부 온도(℃) 편차(℃)
실시예 4 2 (1), (5) 28.2 27.5 0.7
실시예 5 3 (1), (3), (5) 28.0 27.7 0.3
실시예 6 4 (1), (2), (3), (5) 28.0 27.8 0.2
실시예 7 5 (1), (2), (3), (4), (5) 27.9 27.8 0.2
표 2를 참조하면, 히트 파이프 가이드 롤러의 적용 개수가 증가함에 따라 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차는 현저히 감소됨을 알 수 있다. 구체적으로는, 히트 파이프 가이드 롤러가 2개 이상 적용된 경우에는, 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차는 1℃ 이하로 제어된다. 다만, 히트 파이프 가이드 롤러가 5개 이상 적용되는 경우에는 그에 따른 효율이 감소함을 알 수 있다.
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.
10, 110: 전극 집전체
11: 전극 합제층
20: 전극 슬러리 슬롯 다이
21: 전극 슬러리 토출부
30: 코팅 롤러
101, 102, 103: 히트 파이프 가이드 롤러
111: 제1 전극 합제층
112: 제2 전극 합제층
121: 제1 전극 슬러리 슬롯 다이
122: 제2 전극 슬러리 슬롯 다이
131: 제1 코팅 롤러
132: 제2 코팅 롤러
141: 1차 건조로
142: 2차 건조로
151: 언와인더
152: 리와인더
(1), (2), (3), (4), (5): 히트 파이프 가이드 롤러 위치

Claims (13)

  1. 전극 집전체가 제1 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면 면인 제1 면에 전극 슬러리를 토출하는 제1 코팅부;
    제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 1차 건조로;
    제1 건조로를 거친 전극 집전체를 가열하여 전극 집전체의 폭방향 온도 편차를 저감하는 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러;
    전극 집전체가 제2 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제2 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면 면인 제2 면에 전극 슬러리를 토출하는 제2 코팅부; 및
    제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 2차 건조로를 포함하는 전극 제조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    히트 파이프 가이드 롤러는,
    1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 2 내지 4개 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제2 코팅부에서,
    전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리는 하기 조건 1을 만족하는 하는 전극 제조 시스템:
    [조건 1]
    | Gapside - Gapcenter | < 5 ㎛
    조건 1에서,
    Gapside는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타내고,
    Gapcenter는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 사이드부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타낸다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제1 코팅부 전단에 형성되어 전극 집전체를 제1 코팅부로 공급하는 언와인더부; 및
    2차 건조로 후단에 형성되어 전극 슬러리 코팅 및 건조가 완료된 전극 기재를 권취하는 리와인더부를 포함하는 전극 제조 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    언와인더부에서 공급된 이후부터 리와인더부에 권취될 때까지, 전극 집전체를 연속적으로 이송하는 컨베이어 라인을 더 포함하는 전극 제조 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    1차 건조로와 제2 코팅부 사이에 위치하되, 전극 집전체의 제1 면과 제2 면의 위치를 반전시키는 리버스 롤러를 더 포함하는 전극 제조 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    히트 파이프 가이드 롤러 상을 경유하는 전극 집전체의 표면 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하는 전극 제조 시스템.
  9. 제1 코팅 롤러에 지지된 상태에서 전극 집전체의 제1 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제1 코팅 단계;
    제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 1차 건조 단계;
    제1 건조 단계를 거친 전극 집전체가 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러를 경유하는 온도 편차 저감 단계;
    전극 집전체가 제2 코팅 롤러에 지지된 상태에서, 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제2 코팅 단계; 및
    제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 2차 건조 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    온도 편차 저감 단계를 거친 전극 집전체의 영역별 온도는 하기 조건 2를 만족하는 전극 제조 방법:
    [조건 2]
    | Tside - Tcenter | < 1.5 (℃)
    조건 1에서,
    Tside는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 10% 및 90% 지점에서의 온도의 평균값을 나타내고,
    Tcenter는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 중심 지점에서의 온도를 나타낸다.
  11. 제 9 항에 있어서,
    제1 코팅 단계 내지 2차 건조 단계는 연속 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    1차 건조 단계를 거친 전극 집전체에 대하여, 제1 면과 제2 면을 반전시키는 리버스 단계를 더 포함하는 전극 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    제조 대상이 되는 전극은 파우치형 이차전지용 전극인 전극 제조 방법.
KR1020200142411A 2020-10-23 2020-10-29 전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법 KR20220057296A (ko)

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