KR20220068742A - 전극의 압연 장치 및 전극의 압연 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극의 압연 장치 및 전극의 압연 방법에 관한 것으로, 상기 전극의 압연 장치는 전극을 압연하는 한 쌍의 압연 롤; 상기 전극과 함께 압연 롤에 투입되어 전극과 함께 압연되며, 압연 이후 전극으로부터 분리되는 점착 테이프; 를 포함한다.

Description

전극의 압연 장치 및 전극의 압연 방법{DEVICE FOR ROLLING ELECTRODE AND METHOD FOR ROLLING ELECTRODE}
본 발명은 전극의 압연 장치 및 전극의 압연 방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다. 일반적으로, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이러한 전극은 집전체 상에 전극 활물질 및 용매를 포함하는 전극 슬러리를 도포하여 전극 활물질층을 형성한 후, 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
도 1은 일반적인 전극의 압연 장치를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 전극의 압연 장치(1)는 한 쌍의 압연 롤(20)을 포함한다. 한편, 전극(10)은 집전체(11) 상에 전극 활물질층(12)이 형성되어 있는 구조이며, 상기 전극은 상기 압연 롤(20) 사이에 투입되어 압연이 수행된다.
이 때, 전극의 두께를 일정하게 유지하면서도 전극의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 전극의 로딩량을 높인 후 전극을 가능한 많이 압축하여야 한다. 그러나 이 경우 전극 활물질층을 구성하는 입자들이 지나친 압축으로 인해 응집되면서 전극의 표면이 매끈해지고 소수성을 띠게 되며, 전극의 표면에 전해액이 침투할 수 있는 공극이 감소하게 되면서, 전해액의 함침성이 낮아지게 된다.
이와 같이 전극에 전해액이 충분히 함침되지 않으면, 전극의 데드 볼륨(dead volume)이 발생하게 된다. 양극의 경우에는, 전해액이 함침되지 않은 부위에서 활물질에서 리튬의 탈삽입이 이루어지지 않고, 이는 전극의 전하 불균형을 초래하고 전지셀의 저전압 불량을 야기하게 된다. 음극의 경우에는, 전해액이 함침되지 않은 부위에서 리튬 석출이 유발되고 셀의 안전성을 저하시키게 된다.
또한, 전극의 압연 시 압연 롤의 표면에 전극 활물질 등이 부착될 수 있는데, 이는 이후 압연 과정에서 오염 물질로 작용하게 된다. 이로 인해 별도의 압연 롤 세정 과정이 필요하므로, 세정에 소요되는 시간 및 작업자의 안전이 문제될 수 있다.
한국등록특허 제10-1713102호
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 전극의 지나친 압축으로 인해 전극의 전해액에 대한 함침성이 감소하는 것을 방지할 수 있으며, 압연 과정에서 압연 롤이 오염되는 것을 방지할 수 있는 전극의 압연 장치 및 전극의 압연 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 압연 장치는, 전극을 압연하는 한 쌍의 압연 롤; 상기 전극과 함께 압연 롤에 투입되어 전극과 함께 압연되며, 압연 이후 전극으로부터 분리되는 점착 테이프; 를 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 점착 테이프는 기재 및 기재의 일면에 형성된 점착층을 포함할 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 점착층은 상기 기재가 전극과 접촉하는 면에 형성될 수 있다.
구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전극의 압연 장치는, 상기 점착 테이프가 권출되는 언와인딩 롤; 및 압연 롤에 투입된 점착 테이프를 전극으로부터 분리한 후 권취하는 리와인딩 롤; 을 더 포함할 수 있다.
다른 하나의 예에서, 상기 점착 테이프는, 점착층의 표면에 부착된 입자상 물질을 더 포함할 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 입자상 물질은 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 무기물일 수 있다.
또한, 본 발명은 전극의 압연 방법을 제공하는바, 상기 전극의 압연 방법은 전극을 제조하는 단계; 전극 및 점착 테이프를 한 쌍의 압연 롤에 함께 투입하여 압연하는 단계; 및 압연 롤에 투입된 점착 테이프를 압연 이후 전극으로부터 분리하여 전극 활물질층의 표면 상태를 변화시키는 단계; 를 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 점착 테이프는 기재 및 기재의 일면에 형성되는 점착층을 포함할 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 점착층은 상기 기재가 전극과 접촉하는 면에 형성될 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 점착 테이프는, 점착층의 표면에 부착된 입자상 물질을 더 포함할 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 입자상 물질은 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 무기물일 수 있다.
이 때, 상기 입자상 물질은 점착 테이프와 전극이 함께 압연됨에 따라 전극의 표면에 전사될 수 있다.
본 발명에 따른 전극의 압연 장치 및 방법은 전극의 압연 시 접착층이 형성된 점착 테이프를 투입하여 전극과 함께 압연함으로써 표면에 전극 활물질이 응집된 구조의 전극 표면의 상태를 변화시킴으로써, 전극의 전해액에 대한 함침성을 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전극의 압연 장치 및 방법은 전극과 점착 테이프를 함께 압연함으로써 압연 롤의 오염을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 전극의 압연 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 압연 장치를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 압연 장치를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전극의 압연 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 6은 전해액을 떨어뜨린 후 실시예 및 비교예에 따른 전극들의 표면을 나타낸 사진이다.
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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 압연 장치는, 전극을 압연하는 한 쌍의 압연 롤; 상기 전극과 함께 압연 롤에 투입되어 전극과 함께 압연되며, 압연 이후 전극으로부터 분리되는 점착 테이프; 를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 압연 장치 및 압연 방법의 경우 전극의 두께를 일정하게 유지하면서도 전극의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 전극의 로딩량을 높인 후 전극을 가능한 많이 압축하여야 했는데, 이 경우 전극 활물질층을 구성하는 입자들이 지나친 압축으로 인해 응집되면서 전극의 표면이 매끈해지고 소수성을 띠게 되며, 전극의 표면에 전해액이 침투할 수 있는 공극이 감소하게 되면서, 전해액의 함침성이 낮아지게 되는 문제가 있었다. 아울러, 전극의 압연 시 압연 롤의 표면에 전극 활물질 등이 부착될 수 있는데, 이는 이후 압연 과정에서 오염 물질로 작용하게 된다.
본 발명에 따른 전극의 압연 장치 및 방법은 전극의 압연 시 접착층이 형성된 점착 테이프를 투입하여 전극과 함께 압연함으로써 표면에 전극 활물질이 응집된 구조의 전극 표면의 상태를 변화시킴으로써, 전극의 전해액에 대한 함침성을 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전극의 압연 장치 및 방법은 전극과 점착 테이프를 함께 압연함으로써 압연 롤의 오염을 방지할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 전극의 압연 장치 및 압연 방법에 대해 상세히 설명한다.
<전극의 압연 장치>
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 압연 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극의 압연 장치(100)는, 전극(110)을 압연하는 한 쌍의 압연 롤(120); 상기 전극(110)과 함께 압연 롤(120)에 투입되어 전극(110)과 함께 압연되며, 압연 이후 전극(110)으로부터 분리되는 점착 테이프(130)를 포함한다.
상기 전극(110)은 집전체(111) 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 도포하고, 건조함으로써 전극 활물질층(112)이 형성된 구조일 수 있다.
상기 집전체(111)는 양극 집전체 또는 음극 집전체일 수 있고, 상기 전극 활물질은 양극 활물질 또는 음극 활물질일 수 있다. 또한 상기 전극 슬러리는 전극 활물질 외에 도전재 및 바인더를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서, 양극 집전체의 경우 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
음극 집전체용 시트의 경우, 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서 양극 활물질은, 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 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 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
한편, 이와 같은 전극 슬러리는 전극 활물질, 도전재 및 바인더 등을 용매에 용해시켜 제조될 수 있다. 상기 용매는 전극 활물질 등을 분산시킬 수 있는 것이면 그 종류에 특별한 제한은 없으며, 수계 용매 또는 비수계 용매를 모두 사용 가능하다. 예를 들어, 상기 용매로는 상기 용매는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등일 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율, 작업성 등을 고려하여 슬러리가 적절한 점도를 갖도록 조절될 수 있는 정도이면 되고, 특별히 한정되지 않는다. 상기 용매는 건조 과정에서 제거될 수 있다.
한편, 압연 롤(120)은 전극(110)을 압연하기 위하여 전극(110)의 상면에 위치하는 상부 롤(121) 및 전극(110)의 하면에 위치하는 하부 롤(122)의 한 쌍으로 이루어져 있다. 본 발명에 따른 압연 장치에서, 압연 롤(120)은 두 쌍 이상 포함될 수 있으며, 압연 롤(120)의 개수는 통상의 기술자에 의해 적절히 설계될 수 있다. 전극(110)은 상기 상부 롤(121)과 하부 롤(122) 사이 공간에 투입될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전극의 압연 장치(100)는 점착 테이프(130)를 더 포함한다. 상기 점착 테이프(130)는 전극(110)과 함께 압연 롤(120)에 투입되어 상기 압연 롤(120)에 의해 전극(110)과 함께 압연된다. 상기 점착 테이프(130)는 압연 이후 전극(110)으로부터 분리되면서 상기 압연에 의한 전극(110)의 표면 상태를 변화시킬 수 있다.
상기 점착 테이프(130)는 기재(131) 및 기재(131)의 일면에 형성된 점착층(132)을 포함할 수 있다. 이 때 상기 점착 테이프(130)를 구성하는 기재(131) 및 점착층(132)의 종류는 통상의 기술자에 의해 적절히 설계될 수 있다.
예를 들어, 상기 기재(131)는 열가소성 수지 재질의 필름 또는 발포폼을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열가소성 수지 재질의 필름은 예를 들어, 우레탄 수지, 아크릴 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리에테르 수지, 폴리프로필렌-폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴-스티렌 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 나일론 수지, 폴리에테르 이미드 수지 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 기재(131)의 두께는 통상의 기술자에 의해 적절히 설계될 수 있으며, 전극의 압연 과정에 간섭하지 않으면서도 압연 및 권취 과정에서 손상되지 않도록 충분한 기계적 강도를 가질 수 있어야 한다. 예를 들어 상기 기재의 두께는 10㎛ 내지 약 150㎛, 상세하게는 30 내지 120㎛, 더욱 상세하게는 50 내지 100㎛일 수 있다. 기재의 두께가 상기 범위 이내일 때 전극의 압연 과정을 간섭하지 않으면서 충분한 기계적 강도를 구현할 수 있다.
한편, 상기 점착층(132)은 통상의 점착 테이프에서 사용되는 점착층을 구성하는 고분자 물질이 사용될 수 있으며, 예를 들어 페놀 에폭시(phenolic epoxy) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 에폭시(epoxy) 수지, 아크릴(acrylic) 수지, 실리콘(silicone) 수지 및 폴리우레탄(polyurethane) 수지 중 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 점착층으로서 아크릴 수지 또는 폴리우레탄 수지를 사용할 수 있다. 상기 점착층의 조성은 하기와 같은 접착 강도를 달성하기 위해 통상의 기술자에 의해 적절히 설계될 수 있다.
상기 점착층(132)의 두께 또한 통상의 기술자에 의해 적절히 설계될 수 있으며, 예를 들어 10 내지 50㎛, 또는 20 내지 40㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만 점착층이 지나치게 두꺼운 경우 점착 테이프가 전극으로부터 분리될 때 점착층이 전극의 표면에 잔류할 수 있어 바람직하지 않다.
한편, 상기 점착층(132)은 상기 기재(131)가 전극(110)과 접촉하는 면에 형성된다. 즉 본 발명에서 상기 점착 테이프(130)는 전극(110)과 함께 압연되면서 점착층(132)에 의해 전극(110)에 부착되고, 압연 이후 전극(110)으로부터 분리되면서, 점착층(132)에 의해 표면의 전극 활물질 중 일부가 전극으(110)로부터 박리된다. 일반적으로 전극은 압연에 의해 전해액의 침투가 어려운 표면 상태가 되는데, 상기 점착 테이프(130)가 표면의 전극 활물질을 박리하면서 박리된 부분으로 전해액이 용이하게 침투할 수 있게 된다. 더욱 상세하게는, 상기 점착 테이프(130)는 압연 직후 전극(110)으로부터 분리됨으로써, 점착 테이프(130) 상의 점착층(132)이 전극의 표면에 잔류하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 압연 과정 중에 점착 테이프(130)가 전극(110)과 압연 롤(120) 사이에 개재되면서 전극 활물질 등이 압연 롤(120)에 부착되어 오염 물질로 작용하는 것을 방지할 수 있다. 이 때 점착층(132)은 전극(110)과 접촉하는 면에만 형성되며 압연 롤(120)과 점착 테이프(130)가 접촉하는 면에는 점착층이 형성되지 않으므로, 압연 롤(120)에 점착층(132)의 성분이 부착되는 것을 방지할 수 있다.
상기 점착 테이프(130)의 접착 강도는 전극 표면의 전극 활물질만을 떼어낼 수 있을 정도의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 점착 테이프의 접착 강도는 50 내지 2000 gf/25mm일 수 있으며, 상세하게는 70 내지 1000 gf/25mm일 수 있다. 상기 접착 강도는 예를 들어 ASTM-D903에 의거하여 측정될 수 있다. 상기 점착 테이프의 접착 강도가 상기 범위를 벗어나 지나치게 작으면, 전극 표면의 활물질을 떼어내는 것이 어려워 본 발명의 목적을 달성할 수 없으며, 접착 강도가 지나치게 클 경우 박리되는 활물질의 양이 지나치게 증가하며, 전극이 손상되어 전극의 품질이 감소할 수 있다. 또한 접착 강도가 지나치게 클 경우 후술하는 바와 같은 입자상 물질이 전극의 표면상으로 전사되는 것이 어려울 수 있다.
상기 점착 테이프(130)는 전극(110)과 함께 압연되기 위하여 전극(110)과 같은 속도로 압연 롤(120)에 투입 및 주행될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 전극의 압연 장치(100)는 상기 점착 테이프(130)가 권출되는 언와인딩 롤(140); 및 압연 롤(120)에 투입된 점착 테이프(130)를 전극(110)으로부터 분리한 후 권취하는 리와인딩 롤(150); 을 더 포함할 수 있다.
상기 언와인딩 롤(140)은 미리 준비된 점착 테이프(130)가 권취되어 있는 롤이며, 압연 시 점착 테이프(130)를 권출하여 전극(110)과 함께 투입할 수 있다. 또한, 상기 리와인딩 롤(150)은 압연에 의해 전극 표면에 접착된 점착 테이프(130)를 전극(110)으로부터 분리 회수하여 권취하는 역할을 수행한다. 이 때, 점착 테이프(130)의 일측은 언와인딩 롤(140)에 권취되어 있고, 타측은 리와인딩 롤(150)에 권취되어 있는 상태일 수 있다. 이 상태에서 전극(110)이 투입되면, 언와인딩 롤(140) 및 리와인딩 롤(150)의 회전에 의해 점착 테이프(130)가 전극의 주행 속도와 같은 속도로 주행하면서 전극(110)과 함께 압연될 수 있다. 전극(110)과 함께 압연된 점착 테이프(130)는 리와인딩 롤(150)에 권취됨에 따라 자동으로 전극(110)으로부터 분리될 수 있다.
이 때, 상기 점착 테이프(130), 언와인딩 롤(140) 및 리와인딩 롤(150)은 전극(110)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 도 2의 경우 전극의 압연 장치(100)는 전극 활물질층(112)이 집전체(111)의 일면에만 형성된 경우에 대한 것으로 점착 테이프(130)가 전극(110)의 일면에만 위치한다. 한편, 도 3의 경우 전극의 압연 장치(200)는 전극 활물질층(112)이 집전체(111)의 양면에 모두 형성된 경우에 대한 것으로, 점착 테이프(130)가 전극(110)의 양면에 위치할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 압연 장치를 나타낸 모식도이다.
도 4를 참조하면, 전극의 압연 장치(300)는 전술한 바와 동일하게 압연 롤(120), 점착 테이프(130), 언와인딩 롤(140) 및 리와인딩 롤(150)을 포함할 수 있다. 이 ‹š, 상기 점착 테이프(130)는 점착층(132)의 표면에 부착된 입자상 물질(160)을 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 입자상 물질(160)이란 전극(110)의 표면에 부착되어 전극(110)을 개질하기 위한 물질일 수 있다. 상기 입자상 물질(160)은 점착층(132)의 표면에 부착되어 있다가 압연 롤(120)에 의해 압연 시 전극(110)의 표면, 즉 전극 활물질층(112)의 표면으로 전부 또는 일부가 전사될 수 있다. 즉 본 발명은 별도의 코팅 공정 없이 상기 입자상 물질을 간편히 표면에 코팅할 수 있어, 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다. 상기 입자상 물질은 점착 테이프의 접착력을 지나치게 감소시키지 않을 정도로 점착층의 표면에 도포될 수 있으며, 이는 통상의 기술자에 의해 적절히 설계될 수 있다.
상기 입자상 물질(160)은 구현 또는 개선하고자 하는 전극의 성능에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 구체적인 예로 무기 입자가 사용될 수 있다. 상기 무기 입자는 실리콘 산화물(SiOx, 0<x≤2), 알루미나(Al2O3), 이산화티탄(TiO2) 및 텅스텐 산화물을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 더욱 상세하게는 SiOx(0<x≤2)를 사용할 수 있다. 이러한 입자상 물질들은 전극의 표면에서 전해액을 붙잡아두는 핵으로 작용함으로써, 젖음성을 높이고 전극의 전해액에 대한 함침성을 향상시킬 수 있다. 상기 전극 표면에 도포되는 입자상 물질의 양은 점착층의 표면에 부착된 입자상 물질의 양을 통해 조절될 수 있다. 또한 전극 표면에 도포되는 입자상 물질의 양은 통상의 기술자에 의해 적절히 조절될 수 있다.
한편, 상기 입자상 물질(160)의 평균 입경(D50)은 통상의 기술자에 의해 적절히 설계될 수 있으며, 예를 들어 10nm 내지 5㎛일 수 있으며, 상세하게는 10nm 내지 3㎛일 수 있고, 더욱 상세하게는 10nm 내지 1㎛일 수 있다. 평균 입경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 입자상 물질의 평균 입경이 지나치게 클 경우 오히려 전해액의 침투를 저해하고 전극 합제층과 대면하는 분리막 등에 손상을 줄 수 있다.
또한, 본 발명은 전극의 압연 방법을 제공한다.
도 5는 본 발명에 따른 전극의 압연 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전극의 압연 방법은 전극을 제조하는 단계(S10); 전극 및 점착 테이프를 한 쌍의 압연 롤에 함께 투입하여 압연하는 단계(S20); 및 압연 롤에 투입된 점착 테이프를 전극으로부터 분리하여 전극 활물질층의 표면 상태를 변화시키는 단계(S30); 를 포함한다.
본 발명에 따른 전극의 압연 장치 및 방법은 전극의 압연 시 접착층이 형성된 점착 테이프를 투입하여 전극과 함께 압연함으로써 표면에 전극 활물질이 응집된 구조의 전극 표면의 상태를 변화시킴으로써, 전극의 전해액에 대한 함침성을 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전극의 압연 장치 및 방법은 전극과 점착 테이프를 함께 압연함으로써 압연 롤의 오염을 방지할 수 있다.
먼저, 전극을 제조하는 단계에서는 집전체의 적어도 일면에 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리가 도포 후 건조됨으로써 전극 활물질층이 형성될 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.
전극이 제조되면 전극과 점착 테이프를 한 쌍의 압연 롤에 함께 투입하여 전극을 압연한다. 상기 점착 테이프는 기재 및 기재의 일면에 형성되는 점착층을 포함한다. 상기 점착층은 기재가 전극과 접촉하는 면에 형성될 수 있다. 상기 기재 및 점착층의 구성은 전술한 바와 동일하다.
도 5를 도 2 또는 도 3과 함께 참조하면 언와인딩 롤(140)에서 권출된 점착 테이프(130)가 압연 롤 사이 공간에 투입되면서 점착층이 전극의 표면, 즉 전극 활물질층의 표면에 부착된다. 이후 압연이 종료되면, 그 즉시 점착 테이프가 전극으로부터 분리되어 리와인딩 롤에 권취된다. 이 때 전극의 투입 전 점착 테이프의 양측이 각각 언와인딩 롤 및 리와인딩 롤에 권취된 상태로 점착 테이프를 주행시킴으로써, 압연 이후 점착 테이프가 전극으로부터 바로 분리되도록 할 수 있다.
이와 같이 압연 시 점착 테이프를 부착 및 분리시킴으로써, 전극 활물질층 표면의 전극 활물질 일부를 점착 테이프에 의해 떼어낼 수 있으며, 이를 통해 압연으로 인하여 소수성을 띠게 된 전극 활물질층의 표면을 전해액이 더 잘 침투할 수 있는 상태로 변화시킬 수 있는 것이다.
상기 점착 테이프는, 점착층의 표면에 부착된 입자상 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 점착 테이프는 점착층의 표면에 입자상 물질이 부착된 상태로 언와인딩 롤에 권취되어 있다가 전극과 함께 투입될 수 있다.
상기 입자상 물질은 구현 또는 개선하고자 하는 전극의 성능에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 구체적인 예로 무기 입자가 사용될 수 있다. 상기 무기 입자는 실리콘 산화물(SiOx, 0<x≤2), 알루미나(Al2O3), 이산화티탄(TiO2) 및 텅스텐 산화물을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 더욱 상세하게는 SiOx(0<x≤2)를 사용할 수 있다.
이러한 입자상 물질들은 상기 입자상 물질은 점착 테이프와 전극이 함께 압연됨에 따라 전극의 표면에 전사된다. 상기 입자상 물질은 전극의 표면에서 전해액을 붙잡아두는 핵으로 작용함으로써, 젖음성을 높이고 전극의 전해액에 대한 함침성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전극의 압연 방법을 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.
상기 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 형태의 전극 조립체가 전지 케이스에 수납된 형태이다. 상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질을 포함하는 양극 슬러리가 도포되어 양극 활물질층이 형성된 구조이며, 양극 및 음극은 전술한 바와 같은 방법에 의해 제조 및 압연된 것일 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
한편, 상기 전지 케이스는 전지의 포장을 위한 외장재로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 각형 또는 파우치형이 사용될 수 있다. 전지 케이스 내에 전극 조립체가 수납되면, 전해액 주입 후 밀봉되며, 이후 활성화 공정을 통해 최종적인 이차전지로 제조된다. 전지 케이스 및 전해액에 관한 내용은 통상의 기술자에게 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1
<전극 제조>
음극 활물질로서 흑연 88중량% 및 SiO 10%중량%, 도전재로서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 0.05중량%, 바인더로서 SBR(스티렌-부타디엔 고무) 1.0중량% 및 증점제로서 CMC 0.97중량%를 물에 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다.
구리 집전체(두께: 10㎛)의 일면에 상기 음극 슬러리를 코팅하고. 압연(roll press)하고 120℃의 진공 오븐에서 진공 건조하여 전극을 제조하였다.
<전극의 압연>
상기 전극을 점착 테이프와 함께 압연 롤에 투입하여 전극을 압연하였다. 구체적으로, 상기 점착 테이프로는 OPP BOX tape(접착 강도: 72gf/25mm)를 사용하였다. 상기 점착 테이프는 도 2와 같이 언와인딩 롤 및 리와인딩 롤 사이에 권취되어 있으며, 압연 시 언와인딩 롤로부터 권취되어 압연 롤 사이에서 주행함에 따라 전극과 함께 압연된다. 점착 테이프는 압연 이후 전극으로부터 분리되어 리와인딩 롤에 권취되었다.
실시예 2
상기 점착 테이프로서 니또덴코社의 N.4605(접착 강도: 922gf/25mm)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전극을 제조 후 압연하였다.
실시예 3
상기 점착 테이프로서 3M社의 N.9070(접착 강도: 1727gf/25mm)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전극을 제조 후 압연하였다.
비교예
상기 전극을 점착 테이프를 사용하지 않고 도 1과 같이 종래의 압연 방법에 의해 압연한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 전극을 제조 및 압연하였다.
실험예
실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 전극에 대하여 전해액 함침성을 평가하였다. 구체적인 평가 항목은 다음과 같다.
PC 함침 시간 평가: 각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전극을 각각 20개씩 시료를 준비하였다. 각 시료의 표면에 주사기를 이용하여 전해액으로서 프로필렌 카보네이트(PC)를 1 ml씩 떨어트린 후, 상기 용매가 전극에 모두 흡수될 때까지의 시간을 측정하였다. 측정 결과는 20개의 시료에 대한 결과를 평균하여 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
평가 항목 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예
PC 함침 시간(sec) 72 65 70 140
전해액 퍼짐성 평가: 각 전극의 표면에 전해액으로서 1M LiPF6 카보네이트계 용액을 1 ml씩 떨어트린 후, 전극 표면에서의 전해액의 퍼짐성을 관찰하였다. 그 결과를 도 6에 도시하였다. 도 6의 (a)는 비교예에 따른 전극의 표면을 촬영한 것이며, (b) 내지 (d)는 차례로 실시예 1 내지 3에 따른 전극의 표면을 촬영한 것이다.
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 3에 따른 전극의 경우 전해액의 함침 시간이 비교예에 비해 감소된 것을 알 수 있다. 이는 전극의 압연 시 점착 테이프를 접촉시키고, 압연 후 이를 분리함으로써 표면에 단단하게 응집된 전극 활물질의 일부가 박리되었고, 이로써 전극의 표면 상태가 변화하여 함침성이 개선된 것을 의미한다.
아울러 도 6의 경우 실시예에 따른 전극은 전해액 투입 시 전해액이 비교예에 비해 더 넓게 퍼짐을 확인할 수 있다. 즉 실시예에 따른 전극은 비교예에 비해 함침성이 더욱 개선된 것을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
1, 100: 전극의 압연 장치
10, 110: 전극
11, 111: 집전체
12, 112: 전극 활물질층
20, 120: 압연 롤
121: 상부 롤
122: 하부 롤
130: 점착 테이프
131: 기재
132: 점착층
140: 언와인딩 롤
150: 리와인딩 롤

Claims (12)

  1. 전극을 압연하는 한 쌍의 압연 롤; 및
    상기 전극과 함께 압연 롤에 투입되어 전극과 함께 압연되며, 압연 이후 전극으로부터 분리되는 점착 테이프; 를 포함하는 전극의 압연 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 점착 테이프는 기재 및 기재의 일면에 형성된 점착층을 포함하는 전극의 압연 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 점착층은 상기 기재가 전극과 접촉하는 면에 형성되는 전극의 압연 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 점착 테이프가 권출되는 언와인딩 롤; 및
    압연 롤에 투입된 점착 테이프를 전극으로부터 분리한 후 권취하는 리와인딩 롤; 을 더 포함하는 전극의 압연 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 점착 테이프는, 점착층의 표면에 부착된 입자상 물질을 더 포함하는 전극의 압연 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 입자상 물질은 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 무기물인 전극의 압연 장치.
  7. 전극을 제조하는 단계;
    전극 및 점착 테이프를 한 쌍의 압연 롤에 함께 투입하여 압연하는 단계; 및
    압연 롤에 투입된 점착 테이프를 전극으로부터 분리하여 전극 활물질층의 표면 상태를 변화시키는 단계; 를 포함하는 전극의 압연 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 점착 테이프는 기재 및 기재의 일면에 형성되는 점착층을 포함하는 전극의 압연 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 점착층은 상기 기재가 전극과 접촉하는 면에 형성되는 전극의 압연 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 점착 테이프는, 점착층의 표면에 부착된 입자상 물질을 더 포함하는 전극의 압연 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 입자상 물질은 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 무기물인 전극의 압연 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 입자상 물질은 점착 테이프와 전극이 함께 압연됨에 따라 전극의 표면에 전사되는 전극의 압연 방법.

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