KR20220068725A - 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법 - Google Patents

에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법에 관한 것으로, 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩(kneading)하여 혼합 니딩을 형성하는 단계; 혼합 니딩을 제1두께를 갖는 전극 시트로 형성하는 1차 두께조절 단계; 제1두께를 갖는 전극 시트를 건조하는 단계; 건조된 제1두께를 갖는 전극 시트를 제1두께보다 작은 제2두께를 갖도록 조절하는 2차 두께조절 단계; 및 제2두께를 갖는 전극 시트를 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계를 포함것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법{Dry electrode manufacturing method for energy storage device}
본 발명은 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법에 관한 것으로, 특히 건식전극에 사용되는 전극 물질을 니딩(kneading) 시 온도를 바인더가 열변형을 발생시킬 수 있는 온도로 유지하고 용매의 기화를 막기 위해 밀폐된 상태에서 압력을 가하여 니딩을 수행함으로써 니딩만으로 높은 전단력(shear force)을 구현하고 니딩 작업 시간을 줄임으로써 제조 공정을 간소화하며 제조 작업의 생산성 개선시킬 수 있는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 장치의 종류는 전기 이중층 커패시터이나 리튬 이온 이차 전지 등이 있다. 이러한 에너지 저장 장치는 애노드(anode), 캐소드(cathode) 및 세퍼레이터(separator)를 포함하여 구성된다. 애노드나 캐소드는 각각 전극으로 활성 전극 재질과 바인더를 포함하여 형성되며, 제조 방법은 습식이나 건조 공정 등을 이용해 형성한다. 건조 공정을 이용한 애노드나 캐소드 등과 같이 에너지 저장 장치의 전극 제조와 관련된 기술이 한국공개특허공보 제10-2016-0145043호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
특허문헌 1은 에너지 저장 장치의 애노드의 제조방법에 관한 것으로, 먼저 제1 혼합물을 형성하도록 활성 재료와 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 복합체 바인더 재료의 적어도 하나의 성분을 혼합하는 단계를 수행한다. 여기서, 적어도 하나의 성분은 적어도 하나의 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), PVDF 코폴리머 및 폴리(에틸렌 산화물)(PEO)을 포함한다. 제1 혼합물의 형성되면 제2 혼합물을 형성하도록, 제1 혼합물에 PTFE를 첨가하는 단계를 수행한다. 여기서, 혼합은 제1 혼합물을 형성하도록 도전성 카본 첨가제와 활성 재료 및 PTFE 복합체 바인더 재료의 적어도 하나의 성분을 혼합하며, 혼합과 첨가는 20 내지 75℃의 온도에서 블랜딩(blending)하여 수행한다. 제2 혼합물이 형성되면 제2 혼합물에 고전단 공정을 가하는 단계를 수행한다. 고전단 공정은 PTFE를 섬유화하며, 섬유화는 과정은 제트-밀링의 수행을 포함한다.
특허문헌 1과 같이 종래의 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법은 높은 전단력(shear force)을 구현하기 위해 PTFE와 같은 바인더를 섬유화하고 있으며, 이러한 바인더의 섬유화를 위해 제트-밀링(jet milling) 방법을 사용하고 있다. 제트-밀링 방법은 바인더를 미분화하여 섬유화를 구현하고 있으나 별도 제트-밀링을 위한 제트 밀 장치를 구비한 상태에서 바인더를 미분화하는 공정을 추가함으로써 제조 작업의 생산성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
: 한국공개특허공보 제10-2016-0145043호
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 건식전극에 사용되는 전극 물질을 니딩(kneading) 시 온도를 바인더가 열변형을 발생시킬 수 있는 온도로 유지하고 용매의 기화를 막기 위해 밀폐된 상태에서 압력을 가하여 니딩을 수행함으로써 니딩만으로 높은 전단력(shear force)을 구현하고 니딩 작업 시간을 줄임으로써 제조 공정을 간소화하며 제조 작업의 생산성 개선시킬 수 있는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극 시트에 포함된 용매를 완전하게 건조시키지 않음으로써 발생될 수 있는 전극 시트의 접착성과 도전성 접착제를 이용해 전극 시트를 집전체의 표면에 접착함으로써 전극 시트와 다른 이종 재료인 집전체에 접착 작업의 신뢰성을 개선시킬 수 있는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 건조된 전극 시트의 폭을 집전체의 폭보다 크게 형성하며 집전체에 다수개의 관통공을 형성하여 전극 시트가 다수개의 관통공으로 끼워지면서 집전체를 폭방향으로 감싸게 배치되게 접착시킴으로써 동종 재질인 전극 시트와 전극 시트가 서로 접착하고자 하는 힘으로 집전체의 표면에 견고하게 접착시킬 수 있는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법를 제공함에 있다.
본 발명의 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법은 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩(kneading)하여 혼합 니딩을 형성하는 단계; 상기 혼합 니딩을 제1두께를 갖는 전극 시트로 형성하는 1차 두께조절 단계; 상기 제1두께를 갖는 전극 시트를 건조하는 단계; 상기 건조된 제1두께를 갖는 전극 시트를 상기 제1두께보다 작은 제2두께를 갖도록 조절하는 2차 두께조절 단계; 및 상기 제2두께를 갖는 전극 시트를 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계를 포함하며, 상기 혼합 니딩을 형성하는 단계에서 상기 혼합 니딩은 밀폐된 분위기에서 온도가 100 내지 150℃이고 진공도가 20 내지 100 PSI(pound per square inch)에서 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법은 건식전극에 사용되는 전극 물질을 니딩(kneading) 시 온도를 바인더가 열변형을 발생시킬 수 있는 온도로 유지하고 용매의 기화를 막기 위해 밀폐된 상태에서 압력을 가하여 니딩을 수행함으로써 니딩만으로 높은 전단력(shear force)을 구현하고 니딩 작업 시간을 줄임으로써 제조 공정을 간소화하며 제조 작업의 생산성 개선시킬 수 있는 이점이 있고, 전극 시트에 포함된 용매를 완전하게 건조시키지 않음으로써 발생될 수 있는 전극 시트의 접착성과 도전성 접착제를 이용해 전극 시트를 집전체의 표면에 접착함으로써 전극 시트와 다른 이종 재료인 집전체에 접착 작업의 신뢰성을 개선시킬 수 있는 이점이 있으며, 건조된 전극 시트의 폭을 집전체의 폭보다 크게 형성하며 집전체에 다수개의 관통공을 형성하여 전극 시트가 다수개의 관통공으로 끼워지면서 집전체를 폭방향으로 감싸게 배치되게 접착시킴으로써 동종 재질인 전극 시트와 전극 시트가 서로 접착하고자 하는 힘으로 집전체의 표면에 견고하게 접착시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 2는 도 1에 도시된 도전성 접착제의 제조 과정을 나타낸 공정 흐름도,
도 3은 도 1에 도시된 건식전극 제조 방법의 일 실시예에 의해 제조된 건식전극을 나타낸 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 건식전극의 A-A선 단면도,
도 5는 도 1에 도시된 건식전극 제조 방법의 다른 실시예에 의해 제조된 건식전극을 나타낸 사시도,
도 6은 도 5에 도시된 건식전극의 B-B선 단면도,
도 7은 도 1에 도시된 건식전극 제조 방법의 다른 실시예에 의해 제조된 건식전극을 나타낸 사시도,
도 8은 도 7에 도시된 건식전극의 C-C선 단면도이다.
이하, 본 발명의 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3에서와 같이 본 발명의 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법은 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩(kneading)하여 혼합 니딩을 형성하는 단계(S10)를 실시한다. 혼합 니딩을 형성하는 단계(S10)에서 혼합 니딩은 밀폐된 분위기에서 온도가 100 내지 150℃이고 진공도가 1×10-2 내지 1×10-4 PSI(pound per square inch)에서 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩하여 형성된다. 혼합 니딩이 형성되면 혼합 니딩을 제1두께를 갖는 전극 시트(12)로 형성하는 1차 두께조절 단계(S20)를 실시한다. 제1두께를 갖는 전극 시트(12)가 형성되면 제1두께를 갖는 전극 시트(12)를 건조하는 단계(S30)를 수행한다. 건조가 완료되면 건조된 제1두께를 갖는 전극 시트(12)를 제1두께보다 작은 제2두께를 갖도록 조절하는 2차 두께조절 단계(S40)를 수행한다. 전극 시트(12)의 두께가 제2두께로 조절되면 제2두께를 갖는 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계(S50)를 수행한다.
본 발명의 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법의 구체적인 실시예를 설명하면 다음과 같다.
전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩(kneading)하여 혼합 니딩을 형성하는 단계(S10)는 도 1에서와 같이, 전극 물질 70 내지 98wt％, 도전재 1 내지 15wt％ 및 바인더 1% 내지 15wt％를 혼합하여 형성되고, 용매는 전극 물질과 도전재와 바인더의 전체 합의 중량에 대해 1 내지 300％가 되게 혼합되어 형성된다. 혼합 니딩의 형성 시 블레이드(blade)가 구비된 혼합 니더(kneader)(도시 않음)를 사용하고 밀폐된 분위기에서 용매가 기화되지 않으며, 바인더가 열화되어 관능화되는 온도 즉, 온도가 100 내지 150℃이고 진공도가 20 내지 100 PSI(pound per square inch)에서 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩하여 형성한다. 이와 같이, 건식전극(10)은 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 니딩니딩(kneading) 시 온도를 바인더가 열변형을 발생시킬 수 있는 온도로 유지하고 용매의 기화를 막기 위해 밀폐된 상태에서 압력을 가하여 니딩을 수행함으로써 니딩만으로 높은 전단력(shear force)을 구현하며, 이로 인해 니딩 작업 시간을 줄임으로써 제조 공정을 간소화하며 제조 작업의 생산성 개선시킬 수 있다.
전극 물질은 활성탄, CNT(carbon nanotube), 그래파이트(graphite), 실리콘(Si), 실리콘 옥사이드(Si oxide), NCM(lithium nickel manganese cobalt oxide), LFP(lithium iron phosphate), LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide) 및 LNMO(lithium manganese nickel oxide) 중 하나나 둘 이상을 혼합하여 형성되며, 활성탄은 비표면적이 1000 내지 3000 m2/g인 것이 사용된다. 도전재는 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본블랙(Carbon black), CNT(carbon nanotube) 및 그래핀(graphene) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용되며, 바인더는 불소(fluoride) 작용기를 포함하는 고분자, SBR(styrene butadiene rubber)를 포함하는 고분자, MC(monomer-cast nylon)를 포함하는 고분자, 아크릴레이트(acrylate)를 포함하는 고분자 중 하나나 둘 이상을 혼합하여 사용된다. 불소 작용기를 포함하는 고분자는 PTFE(polytetrafluoroethylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), PEA(perflouokoxyfloro plastic), FEP(fluorinated ethylene propylene copolymer), ETFE(polyethlene tetrafluoro ethylene), PCTFE( polychlorotrifluoro ethylene) 중 하가나 사용된다. 용매는 순수, IPA(isopropyl alcohol), 에틸 알코올(ethyl alcohol) 및 메틸 알코올(methyl alcohol) 및 유기 용매(organic solvent) 중 하나가 사용되며, 유기 용매(organic solvent)는 메탄올(methanol), 아세톤(Acetone)이나 에틸아세트산(ethyl acetate)이 사용된다.
혼합 니딩이 형성되면 혼합 니딩을 제1두께를 갖는 전극 시트(12)로 형성하는 1차 두께조절 단계(S20)는 도 1 및 도 3에서와 같이 롤 밀(roll mill)(도시 않음)을 이용해 혼합 니딩을 제1두께를 갖는 전극 시트(12)로 형성하며, 제1두께는 500 내지 1000㎛가 되도록 형성한다.
제1두께를 갖는 전극 시트(12)가 형성되면 제1두께를 갖는 전극 시트(12)를 건조하는 단계(S30)는 도 1 및 도 3에서와 같이 리플로우 오븐(reflow oven)(도시 않음)를 이용해 제1두께를 갖는 전극 시트(12)를 건조시킨다. 제1두께를 갖는 전극 시트(12)는 35 내지 250℃에서 30 내지 720min(minutes) 동안 노출되게 0.1 내지 30M/min(meter/minutes) 속도로 이송시켜 잔여 용매량이 제1두께를 갖는 전극 시트(12)의 전체 중량의 5％ 이하가 되도록 건조시킨다. 여기서, 제1두께를 갖는 전극 시트(12)의 건조 조건은 바람직하게는 완전 건조하지 않고 용매량이 제1두께를 갖는 전극 시트(12)의 전체 중량(wt％)의 2 내지 5％가 되도록 건조시킨다. 이와 같이 전극 시트(12)에 포함된 용매를 완전하게 건조시키지 않음으로써 발생될 수 있는 전극 시트(12)의 접착성과 도전성 접착제를 이용해 전극 시트(12)를 집전체(11)의 표면에 접착함으로써 전극 시트(12)와 다른 이종 재료인 집전체(11)에 접착 작업의 신뢰성을 개선시킬 수 있게 된다.
제1두께를 갖는 전극 시트(12)가 건조되면 건조된 제1두께를 갖는 전극 시트(12)를 제1두께보다 작은 제2두께를 갖도록 조절하는 2차 두께조절 단계(S40)는 도 1 및 도 3에서와 같이 롤 밀(roll mill)(도시 않음)을 이용해 건조된 제1두께를 갖는 전극 시트(12)를 제1두께보다 작은 제2두께를 갖도록 조절하며, 제2두께는 50 내지 500㎛가 되도록 형성된다. 여기서, 제2두께는 바람직하게는 전도성 접착제 없이 동종의 한 쌍의 전극 시트(12)가 보다 많이 관공통(11a)에 채워져 접착력을 개선시키기 위해 50 내지 300㎛가 되도록 형성된다.
전극 시트(12)가 제2두께를 갖도록 형성되면 제2두께를 갖는 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계(S50)는 도1, 도 3 및 도 4에서와 같이 제2두께를 갖는 전극 시트(12)를 전도성 접착제를 매개로 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착시켜 본 발명의 일 실시예에 따른 건식전극(10)를 제조한다. 전도성 접착제는 도 3에서와 같이 집전체(11)의 상부나 하부의 표면이나 전극 시트(12)의 하부나 상부의 표면에 코팅하여 전도성 접착제층(13)을 형성하며, 전도성 접착제층(13)을 이용해 제2두께를 갖는 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착시켜 본 발명의 건식전극(10)를 제조한다. 전도성 접착제층(13)의 형성하기 위해 사용되는 전도성 접착제는 점도가 50 내지 500cP(centi-poise)인 것이 사용되고 그라비아 코팅(gravure coating)을 이용해 집전체(11)의 상부와 하부의 표면이나 제2두께를 갖는 전극 시트(12)의 하부나 상부의 표면에 각각 코팅되며, 그라비아 코팅에 사용되는 롤(도시 않음)은 심도가 10 내지 40㎛이며 메쉬는 100 내지 400인 것이 사용된다. 예를 들어, 전도성 접착제층(13)은 전도성 접착제를 이용해 집전체(11)의 상부와 하부의 표면에 형성한 후 이를 매개로 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착시키거나 전극 시트(12)의 상부나 하부의 표면에 각각 형성한 후 이를 매개로 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착시켜 본 발명의 건식전극(10)을 형성한다. 즉, 제2두께를 갖는 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계(S50)에서 제2두께를 갖는 전극 시트(12)는 전도성 접착제를 매개로 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착된다.
전도성 접착제는 첨가제 0.5 내지 5wt％, 바인더 0.5 내지 5wt％, 결합제 0.5 내지 5wt％, 도전재 1 내지 20wt％ 및 용매 65 내지 97.5wt％를 혼합하여 사용된다. 첨가제는 산무수물(acid anhydride)이 사용되며, 산무수물(acid anhydride)은 MA(maleic acid)가 사용되며, 바인더는 키토산(chitosan), 아크릴아미드(acrylamide), 아크릴로니트릴(acrylonitrile) 및 히드록시프로필키토산(hydroxypropyl chitosan) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용된다. 결합제는 PMA나 PVDF(polyvinylidene fluoride)가 사용되며, 도전재는 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본 블랙(Carbon black), CNT(carbon nanotube) 및 그래핀(graphene) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용된다. 용매는 순수, 물, IPA, 알콜류 및 유기 솔벤트 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용된다.
이러한 전도성 접착제의 제조방법은 도 2에서와 같이 첨가제와 순수를 혼합한 후 첨가제와 순수의 혼합물에 바인더를 첨가하여 제1용액을 준비하는 단계(S51)를 수행하여 제1용액을 준비한다. 결합제와 IPA를 혼합하여 제2용액을 준비하는 단계(S52)를 수행하여 제2용액을 준비한다. 제1용액과 제2용액이 각각 준비되면 제1용액과 제2용액을 1:9 내지 9:1의 비로 혼합하여 제3용액을 준비하는 단계(S53)를 수행한다. 제3용액이 준비되면 제3용액과 도전재를 혼합 후 바스켓 밀(basket mill)로 30 내지 600min(minutes) 동안 혼합하는 단계(S54)를 수행하여 전도성 접착제를 제조한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 건식전극(10a)은 도 5 및 도 6에서와 같이 제2두께를 갖는 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계(S50)에서 제2두께를 갖는 전극 시트(12)가 한 쌍이 사용되고, 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)는 각각 집전체(11)의 폭방향으로 돌출되어 일측과 타측이 서로 접착된 상태에서 집전체(11)를 폭방향으로 감싸게 전도성 접착제를 매개로 집전체(11)의 상부와 하부의 표면에 접착된다. 예를 들어, 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)의 폭(WD2)은 도 6에서와 같이 집전체(11)의 폭(WD1)보다 크게 형성하여, 도 5에서와 같이 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)는 각각 집전체(11)의 폭방향으로 돌출되어 일측과 타측이 서로 접착된 상태에서 집전체(11)를 폭방향으로 감싸게 전도성 접착제를 매개로 집전체(11)의 상부와 하부의 표면에 접착된다.
전도성 접착제는 그라비아 코팅을 이용해 집전체(11)의 상부와 하부의 표면에 각각 코팅되거나 제2두께를 갖는 전극 시트(12)의 하부나 상부의 표면에 각각 코팅된다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식전극(10a)은 도 5 및 도 6에서와 같이 전도성 접착제를 전술한 그라비아 코팅방법으로 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)의 상부와 하부의 표면에 코팅하여 각각에 전도성 접착제층(13)을 형성하고, 이 전도성 접착제층(13)를 매개로 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부와 하부의 표면에 접착시켜 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식전극(10a)을 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 건식전극(10b)은 도 7 및 도 8에서와 같이 제2두께를 갖는 전극 시트(12)를 집전체(11)의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계(S50)에서 제2두께를 갖는 전극 시트(12)가 한 쌍이 사용되고, 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)는 각각 제2두께를 갖는 전극 시트(12)보다 폭(WD2)이 작으며 다수개의 관통공(11a)이 배열되게 형성되는 집전체(11)를 폭방향으로 감싸게 배치되어 다수개의 관통공(11a)에 충진되어 끼워지며 집전체(11)의 폭방향으로 돌출되는 일측과 타측이 서로 접착되어 집전체(11)의 상부와 하부의 표면에 접착되며, 다수개의 관통공(11a)의 직경은 100㎛ 내지 5㎜로 형성되나 바람직하게는 1 내지 5㎜로 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 건식전극(10b)은 도 7 및 도 8에서와 같이 직경이 1 내지 5㎜로 크게 형성되는 다수개의 관통공(11a)이 서로 간격을 두고 배열되어 형성되는 집전체(11)가 사용되고, 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)의 폭(WD2)은 각각 집전체(11)의 폭(WD1)보다 크게 형성되어, 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)가 각각 집전체(11)의 폭방향으로 돌출되어 일측과 타측이 서로 접착된 상태에서 집전체(11)를 폭방향으로 감싸지게 집전체(11)의 상부와 하부의 표면에 접착된다. 여기서, 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)는 집전체(11)를 폭방향의 일측과 타측은 동일한 전극 시트(12)인 동종의 재질로 접착되며, 집전체(11)와 접착되는 부분은 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)는 각각 다수개의 관통공(11a)에 충진되어 끼워짐에 의해 도 7 및 도 8에서와 같이 전도성 접착제 없이 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트(12)는 집전체(11)에 견고하게 접착될 수 있다.
이와 같이 건조된 전극 시트(12)의 폭(WD2)을 집전체(11)의 폭(WD1)보다 크게 형성하며 집전체(11)에 다수개의 관통공(11a)을 형성하여 전극 시트(12)가 다수개의 관통공(11a)으로 끼워지면서 집전체(11)를 폭방향으로 감싸게 배치되게 접착시킴으로써 동종 재질인 전극 시트(12)와 전극 시트(12)가 서로 접착하고자 하는 힘으로 집전체(11)의 표면에 견고하게 접착시킬 수 있게 된다.
본 발명의 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법은 전기 이중층 커패시터나 리튬 이온 이차 전지 등과 같은 에너지 저장 장치의 제조산업 분야에 적용된다.
10,10a,10b: 건식전극
11: 집전체
12: 전극 시트
13: 도전성 접착체층

Claims (10)

  1. 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩(kneading)하여 혼합 니딩을 형성하는 단계;
    상기 혼합 니딩을 제1두께를 갖는 전극 시트로 형성하는 1차 두께조절 단계;
    상기 제1두께를 갖는 전극 시트를 건조하는 단계;
    상기 건조된 제1두께를 갖는 전극 시트를 상기 제1두께보다 작은 제2두께를 갖도록 조절하는 2차 두께조절 단계; 및
    상기 제2두께를 갖는 전극 시트를 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계를 포함하며,
    상기 혼합 니딩을 형성하는 단계에서 상기 혼합 니딩은 밀폐된 분위기에서 온도가 100 내지 150℃이고 진공도가 20 내지 100 PSI(pound per square inch)에서 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩하여 형성되는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 물질, 도전재, 바인더 및 용매를 니딩(kneading)하여 혼합 니딩을 형성하는 단계는 전극 물질 70 내지 98wt％, 도전재 1 내지 15wt％ 및 바인더 1% 내지 15wt％를 혼합하여 형성되고, 상기 용매는 상기 전극 물질과 상기 도전재와 상기 바인더의 전체 합의 중량에 대해 1 내지 300％가 되게 혼합되어 형성되며,
    상기 전극 물질은 활성탄, CNT(carbon nanotube), 그래파이트(graphite), 실리콘(Si), 실리콘 옥사이드(Si oxide), NCM(lithium nickel manganese cobalt oxide), LFP(lithium iron phosphate), LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide) 및 LNMO(lithium manganese nickel oxide) 중 하나나 둘 이상을 혼합하여 형성되며, 상기 활성탄은 비표면적이 1000 내지 3000 m2/g이며, 상기 도전재는 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본 블랙(Carbon black), CNT(carbon nanotube) 및 그래핀(graphene) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용되며, 상기 바인더는 불소(fluoride) 작용기를 포함하는 고분자, SBR(styrene butadiene rubber)를 포함하는 고분자, MC(monomer-cast nylon)를 포함하는 고분자, 아크릴레이트(acrylate)를 포함하는 고분자 중 하나나 둘 이상을 혼합하여 사용되며, 상기 불소 작용기를 포함하는 고분자는 PTFE(polytetrafluoroethylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), PEA(perflouokoxyfloro plastic), FEP(fluorinated ethylene propylene copolymer), ETFE(polyethlene tetrafluoro ethylene), PCTFE( polychlorotrifluoro ethylene) 중 하가나 사용되며, 상기 용매는 순수, IPA(isopropyl alcohol), 에틸 알코올(ethyl alcohol) 및 메틸 알코올(methyl alcohol) 및 유기 용매(organic solvent) 중 하나가 사용되며, 상기 유기 용매(organic solvent)는 메탄올(methanol), 아세톤(Acetone)이나 에틸아세트산(ethyl acetate)이 사용되는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 니딩을 제1두께를 갖는 전극 시트로 형성하는 1차 두께조절 단계는 롤 밀(roll mill)을 이용해 혼합 니딩을 상기 제1두께를 갖는 전극 시트로 형성하며, 상기 제1두께는 500 내지 1000㎛인 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1두께를 갖는 전극 시트를 건조하는 단계는 리플로우 오븐(reflow oven)를 이용해 상기 제1두께를 갖는 전극 시트를 건조시키며, 상기 제1두께를 갖는 전극 시트는 35 내지 250℃에서 30 내지 720min(minutes) 동안 노출되게 0.1 내지 30M/min(meter/minutes) 속도로 이송시켜 잔여 용매량이 제1두께를 갖는 전극 시트의 전체 중량의 5％ 이하가 되도록 건조시키는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 건조된 제1두께를 갖는 전극 시트를 상기 제1두께보다 작은 제2두께를 갖도록 조절하는 2차 두께조절 단계는 롤 밀(roll mill)을 이용해 건조된 제1두께를 갖는 전극 시트를 제1두께보다 작은 제2두께를 갖도록 조절하며,
    상기 제2두께는 50 내지 500㎛인 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2두께를 갖는 전극 시트를 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계에서 상기 제2두께를 갖는 전극 시트는 전도성 접착제를 매개로 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착되며 상기 전도성 접착제는 점도가 50 내지 500cP(centi-poise)인 것이 사용되고 그라비아 코팅(gravure coating)을 이용해 상기 집전체의 상부와 하부의 표면이나 상기 제2두께를 갖는 전극 시트의 하부나 상부의 표면에 각각 코팅되며, 상기 그라비아 코팅에 사용되는 롤은 심도가 10 내지 40㎛이며 메쉬는 100 내지 400인 것이 사용되는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2두께를 갖는 전극 시트를 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계에서 상기 제2두께를 갖는 전극 시트는 전도성 접착제를 매개로 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착되고, 상기 전도성 접착제는 첨가제 0.5 내지 5wt％, 바인더 0.5 내지 5wt％, 결합제 0.5 내지 5wt％, 도전재 1 내지 20wt％ 및 용매 65 내지 97.5wt％를 혼합하여 사용되며,
    상기 첨가제는 산무수물(acid anhydride)이 사용되며, 상기 산무수물(acid anhydride)은 MA(maleic acid)가 사용되며,
    상기 바인더는 키토산(chitosan), 아크릴아미드(acrylamide), 아크릴로니트릴(acrylonitrile) 및 히드록시프로필키토산(hydroxypropyl chitosan) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용되며,
    상기 결합제는 PMA나 PVDF(polyvinylidene fluoride)가 사용되며,
    상기 도전재는 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본 블랙(Carbon black), CNT(carbon nanotube) 및 그래핀(graphene) 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용되며,
    상기 용매는 순수, 물, IPA, 알콜류 및 유기 솔벤트 중 하나나 둘 이상이 혼합되어 사용되는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2두께를 갖는 전극 시트를 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계에서 상기 제2두께를 갖는 전극 시트는 전도성 접착제를 매개로 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착되고,
    상기 전도성 접착제의 제조방법은 첨가제와 순수를 혼합한 후 첨가제와 순수의 혼합물에 바인더를 첨가하여 제1용액을 준비하는 단계;
    결합제와 IPA를 혼합하여 제2용액을 준비하는 단계;
    상기 제1용액과 상기 제2용액을 1:9 내지 9:1의 비로 혼합하여 제3용액을 준비하는 단계; 및
    상기 제3용액과 도전재를 혼합 후 바스켓 밀(basket mill)로 30 내지 600min(minutes) 동안 혼합하는 단계를 포함하는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2두께를 갖는 전극 시트를 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계는 상기 제2두께를 갖는 전극 시트가 한 쌍이 사용되고, 상기 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트는 각각 집전체의 폭방향으로 돌출되어 일측과 타측이 서로 접착된 상태에서 집전체를 폭방향으로 감싸게 전도성 접착제를 매개로 집전체의 상부와 하부의 표면에 접착되며,
    상기 전도성 접착제는 그라비아 코팅을 이용해 상기 집전체의 상부와 하부의 표면에 각각 코팅되거나 상기 제2두께를 갖는 전극 시트의 하부나 상부의 표면에 각각 코팅되는 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2두께를 갖는 전극 시트를 집전체의 상부나 하부의 표면에 접착하는 단계는 상기 제2두께를 갖는 전극 시트가 한 쌍이 사용되고, 상기 한 쌍의 제2두께를 갖는 전극 시트는 각각 제2두께를 갖는 전극 시트보다 폭이 작으며 다수개의 관통공이 배열되게 형성되는 집전체를 폭방향으로 감싸게 배치되어 다수개의 관통공에 충진되어 끼워지며 집전체의 폭방향으로 돌출되는 일측과 타측이 서로 접착되어 집전체의 상부와 하부의 표면에 접착되며, 상기 다수개의 관통공의 직경은 100㎛ 내지 5㎜인 에너지 저장 장치의 건식전극 제조 방법.
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