KR20220081562A - 전극 활물질 탈리 평가 방법 - Google Patents

전극 활물질 탈리 평가 방법 Download PDF

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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전극 활물질 탈리 평가 방법에 관한 것으로, 집전체 상에 전극 합제층이 형성된 구조의 전극을 커팅 모사 장치에 투입하는 단계; 상기 전극을 절단하는 단계; 전극의 절단 과정에서 발생한 전극 활물질의 탈리 정도를 측정하는 단계; 및 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계를 포함한다.

Description

전극 활물질 탈리 평가 방법{METHOD OF EVALUATING THE DEGREE OF SECESSION OF ELECTRODE ACTIVE MATERIAL}
본 발명은 전극 활물질의 탈리 정도를 평가하는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 커팅 모사 장치를 사용하여 전극 활물질의 탈리 정도를 평가하는 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.
상기 양극 및 음극은 각각 양극 집전체 및 음극 집전체에 양극 활물질을 포함하는 양극 슬러리 및 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리를 도포한 후, 이를 건조 및 압연하여 형성된다. 이 때 상기 양극 슬러리 및 음극 슬러리에는 활물질이 집전체로부터 탈리되는 것을 방지하기 위하여 바인더가 소량 첨가된다.
그러나 이러한 경우에도 전극의 제조 과정에서, 예를 들어 전극의 커팅, 노칭, 슬리팅 및 라미네이팅 과정에서 집전체의 절단부에서 전극 활물질이 탈리되는 현상이 자주 발생한다. 이와 같이 전극 활물질이 집전체로부터 탈리될 경우 전극의 용량이 감소하는 문제가 발생하게 되며, 전극에서 나온 활물질 부스러기로 인한 단락이 발생할 수 있다. 즉 집전체에 대한 전극 활물질의 탈리 정도는 전지의 제조 공정성 및 전지의 성능에 영향을 주는 주요한 인자이므로, 이와 전극 활물질의 탈리 정도를 예측 및 평가하는 것이 중요하다. 다만, 전극 활물질의 탈리 정도를 예측하기 위한 평가 방법이 없기 때문에, 실제 공정을 거치지 않고서는 그 현상을 확인하기 어렵다.
그러나, 실제 공정에서 전극 활물질은 대부분 절단 및 펀칭 등에 따라 탈리되는 경우가 대부분이므로 접착력 또는 박리 강도 측정만으로는 정확한 전극 접착력을 측정하기 어렵다는 문제가 있다.
따라서 전극 활물질의 탈리 정도를 예측 및 평가할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허 제10-2016-0085023호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 여러 공정 변수에 따른 탈리 정도를 비교 및 평가하고, 공정 최적화를 통해 전극 활물질의 탈리를 개선할 수 있는 전극 활물질 탈리 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전극 활물질 탈리 평가 방법은, 집전체 상에 전극 합제층이 형성된 구조의 전극을 커팅 모사 장치에 투입하는 단계; 상기 전극을 절단하는 단계; 전극의 절단 과정에서 발생한 전극 활물질의 탈리 정도를 측정하는 단계; 및 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계를 포함한다.
상기 커팅 모사 장치는, 전극의 하부에 위치하는 제1 커팅 부재; 전극의 상부에 위치하며, 전극을 절단하도록 하면에 날이 형성되되, 상기 날에는 폭 방향(TD 방향)을 따라 전극면에 대해 경사가 형성되는 제2 커팅 부재; 및 전극의 양 단을 고정시키기 위한 그립퍼를 포함한다.
상기 커팅 모사 장치는, 커팅 속도, 전극이 그립퍼에 의해 걸리는 장력(Tension), 제2 커팅 부재에 형성된 날과 전극면 사이의 각도, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재와 제2 커팅 부재 사이의 거리 및 제1 커팅 부재 또는 제2 커팅 부재와 그립퍼 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 조절 가능한 것일 수 있다.
구체적인 예에서, 전극 활물질의 탈리 정도를 측정하는 단계는, 전극의 절단면에 인접한 부분에서 전극 활물질의 탈리가 발생한 부분의 크기를 측정하는 것일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계는, 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정을 포함할 수 있다.
구체적인 예에서, 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정은, 공정 조건을 변경하여 전극 활물질 탈리 정도를 측정하면서, 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도에 대한 데이터베이스를 구축하는 과정을 포함할 수 있다.
이 때, 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건은 상기 데이터베이스로부터 도출될 수 있다.
이 때, 상기 공정 조건은 커팅 속도, 전극이 그립퍼에 의해 걸리는 장력(Tension), 제2 커팅 부재에 형성된 날과 전극면 사이의 각도, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재와 제2 커팅 부재 사이의 거리 및 제1 커팅 부재 또는 제2 커팅 부재와 그립퍼 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
다른 하나의 예에서, 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계는, 전극 합제층의 조성을 달리하면서, 전극 합제층의 조성 및 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정을 포함할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극 합제층의 조성 및 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정은, 전극 합제층의 조성 및 공정 조건을 변경하여 전극 활물질 탈리 정도를 측정하면서 전극 합제층의 조성 및 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도에 대한 데이터베이스를 구축하는 과정을 포함할 수 있다.
이 때, 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건은 상기 데이터베이스로부터 도출될 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 전극은 음극일 수 있다.
본 발명에 따른 전극 활물질 탈리 평가 방법은, 전극을 제조한 후 실제 공정에 투입하여 탈리 정도를 평가할 필요 없이 간이 커팅 모사 장치를 사용하여 여러 공정 조건을 조절하면서 전극 활물질의 탈리 정도를 평가함으로써 여러 공정 변수에 따른 탈리 정도를 비교 및 평가하고, 공정 최적화를 통해 전극 활물질의 탈리를 개선할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 전극 활물질의 탈리 정도를 전극의 투입 전에 미리 예측함으로써 불량 발생 및 공정 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 활물질 탈리 평가 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 커팅 모사 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 커팅 모사 장치를 사용하여 전극을 절단하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전극 활물질 탈리 평가 방법에서, 전극 활물질의 탈리 정도를 확인하는 방법을 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 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.
또한, 본 발명에서, 전극의 길이 방향(또는 MD 방향)은 그립퍼 사이에 고정된 전극에 대하여, 그립퍼를 연결하는 직선이 연장되는 방향(x축 방향)을 의미하며, 전극의 폭 방향(TD 방향)이란 전극면 상에서 상기 길이 방향에 수직한 방향을 의미한다.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 활물질 탈리 평가 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전극 활물질 탈리 평가 방법은, 집전체 상에 전극 합제층이 형성된 구조의 전극을 커팅 모사 장치에 투입하는 단계(S10); 상기 전극을 절단하는 단계(S20); 전극의 절단 과정에서 발생한 전극 활물질의 탈리 정도를 측정하는 단계(S30); 및 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계(S40)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 종래에는 탈리 평가를 위해서 제조된 전극을 실제 공정에 투입하거나, 전극의 접착력을 측정하였다. 그러나 이 경우 공정이 복잡해지며, 전극 활물질의 접착력이 실제 탈리 정도를 반영하지 못한다는 문제가 있다.
본 발명에 따른 전극 활물질 탈리 평가 방법은, 전극을 제조한 후 실제 공정에 투입하여 탈리 정도를 평가할 필요 없이 간이 커팅 모사 장치를 사용하여 여러 공정 조건을 조절하면서 전극 활물질의 탈리 정도를 평가함으로써 여러 공정 변수에 따른 탈리 정도를 비교 및 평가하고, 공정 최적화를 통해 전극 활물질의 탈리를 개선할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 전극 활물질의 탈리 정도를 전극의 투입 전에 미리 예측함으로써 불량 발생 및 공정 손실을 최소화할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 평가 방법의 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
<전극의 제조>
먼저 평가 대상이 되는 전극이 제조된다.
상기 전극은 집전체 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 도포하고, 건조 및 압연하여 전극 합제층이 형성된 구조일 수 있다.
상기 집전체는 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.
또한 상기 전극은 양극 또는 음극일 수 있는데, 더욱 상세하게는, 활물질의 탈리 이슈가 자주 발생하는 음극일 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.
<전극의 절단 및 탈리 정도 측정>
전극이 제조되면, 상기 전극을 커팅 모사 장치에 투입하여 절단하는 단계가 수행된다.
상기 커팅 모사 장치는, 실제 공정에서 전극을 커팅하여 단위 전극으로 제조하는 커팅 장치와 동일한 기능을 가진 장치이다. 상기 커팅 모사 장치는 전극을 간편하게 커팅할 수 있도록 실제 커팅 장치만큼 규모가 클 필요가 없으며, 평가의 간소화 및 용이성을 위해 전극을 절단하기 위한 공정을 반영하는 최소한의 구성을 포함하면 족하다.
도 2는 본 발명에 따른 커팅 모사 장치의 구조를 나타낸 모식도이다. 또한, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 커팅 모사 장치를 사용하여 전극을 절단하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 커팅 모사 장치(100)는 전극(10)을 절단하기 위한 커팅 부재를 구비한다.
상기 커팅 부재는 전극(10)의 하부에 위치하는 제1 커팅 부재(110) 및 전극(10)의 상부에 위치하는 제2 커팅 부재(120)를 포함한다. 상기 커팅 부재(110, 120)는 전극과 대면하는 일측에 날이 형성된 블레이드 형상일 수 있다.
상기 커팅 부재(110, 120)에서, 제1 커팅 부재(110)는 전극(10)의 하부에서 전극(10)을 지지한다. 상기 제2 커팅 부재(120)는, 전극(10)의 상부에서 전극(10)으로 하강하여 전극(10)을 절단한다. 상기 제1 커팅 부재(110) 및 제2 커팅 부재(120)는 그 일측에 형성된 날이 서로 접촉되지 않도록 전극의 길이 방향을 기준으로 서로 어긋나게 배열되어 있다. 이를 통해 제2 커팅 부재(120)가 하강하여 제1 커팅 부재(110)와 접촉하면 전극(10)에 전단력을 인가하여 전극을 절단하게 된다.
이를 위해, 상기 커팅 모사 장치(100)는 제2 커팅 부재(120)를 구동시킬 수 있는 구동 부재(140) 및 제2 커팅 부재(120)를 지지하고, 제2 커팅 부재(120)의 운동을 안내하는 가이드 부재(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 구동 부재(140)는, 예를 들어 모터 또는 공압 실린더일 수 있으며, 이 경우 모터의 회전 또는 공압 실린더에 의해 공급되는 공압에 의해 제2 커팅 부재를 하강시킬 수 있다. 한편, 가이드 부재(150)는 전극이 이루는 평면과 수직한 방향으로 형성된 기둥 형상이며, 제2 커팅 부재가 이동할 수 있는 레일이 형성되어 있다.
본 발명에서, 상기 제2 커팅 부재(120)는 전극(10)을 절단하도록 전극(10)과 대면하는 하면에 날이 형성된다. 이 때 상기 날에는 전극(10)의 폭 방향을 따라 전극면에 대해 경사가 형성된다. 즉 도 3과 같이 상기 제2 커팅 부재(120)에 형성된 날은 폭 방향 일측 단부에서 타측 단부로 갈수록 연속적으로 전극(10)과의 거리가 증가 또는 감소하게 된다. 이와 같이 제2 커팅 부재(120)에 형성된 날에 경사가 형성됨으로써 제2 커팅 부재(120)가 제1 커팅 부재(110)와 상호작용시 전극(10)과 점 접촉을 하게 되며, 이에 따라 적은 압력으로 쉽게 전극(10)을 절단할 수 있게 된다.
또한, 상기 커팅 모사 장치(100)는, 전극의 양 단을 고정시키기 위한 그립퍼(130)를 포함할 수 있다. 그립퍼(130)는 커팅 모사 장치(100)의 양 측에 위치하며, 그립퍼(130)의 중간 지점에 커팅 부재(110, 120)가 위치하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 커팅 모사 장치(100)는 장치의 치수 및 공정 조건들을 변경 가능하도록 설계되어 있다. 구체적으로, 상기 커팅 모사 장치(100)는 커팅 속도, 전극(10)이 그립퍼(130)에 의해 걸리는 장력(Tension), 제2 커팅 부재(120)에 형성된 날과 전극면 사이의 각도, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재(110)와 제2 커팅 부재(120) 사이의 거리 및 제1 커팅 부재(110) 또는 제2 커팅 부재(120)와 그립퍼(130) 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 조절 가능하다.
이를 위해, 커팅 모사 장치(100)는 상기 제1 커팅 부재(110) 또는 제2 커팅 부재(120)가 교체 가능하도록 탈착될 수 있으며, 상기 그립퍼(130)의 위치를 조절할 수 있다.
후술하는 바와 같이, 본 발명은 상기와 같은 공정 조건들을 변경하면서, 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출할 수 있다.
전극(10)이 상기 커팅 모사 장치(100)에 투입하고, 그립퍼로 전극을 고정한다. 이후 제2 커팅 부재(120)를 움직여 전극(10)을 절단한다. 이 과정에서 제1 커팅 부재(110) 또는 제2 커팅 부재(120)가 전극(10)과 마찰되며, 전극(10)이 전단력을 받아 구부러지게 되는데, 이 과정에서 전극 합제층 내 전극 활물질이 집전체로부터 탈리된다. 특히, 제2 커팅 부재(120)에 형성된 날과 직접적으로 접촉한 부분에 탈리가 주로 발생하는데, 전극 활물질의 탈리 정도를 측정하는 단계는, 전극의 절단면에 인접한 부분에서 전극 활물질의 탈리가 발생한 부분의 크기를 측정함으로써 수행된다. 구체적으로, 전극 합제층에서 전극 활물질이 탈리된 폭 및 길이를 측정하여 전극 활물질이 탈리된 정도를 측정하게 된다.
<탈리 발생이 최소화되는 공정 조건 도출>
본 발명은 상기 전극 활물질이 탈리된 정도에 대한 측정값으로부터 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 상기 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계는, 공정 조건 별로 탈리 발생이 최소화되는 기준값을 도출하는 단계일 수 있다.
하나의 예에서, 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계는, 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정을 포함한다. 여기서 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계란 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도가 나타내는 경향성을 의미한다.
공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정은, 공정 조건을 변경하여 전극 활물질 탈리 정도를 측정하면서, 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도에 대한 데이터베이스를 구축하는 과정을 포함한다. 이는 전술한 바와 같이 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도에 따른 경향성을 파악하기 위함이다. 이를 위해, 상기 전극을 다수 개 제조하고, 각각 공정 조건을 변경해가면서 전극을 절단한 후 전극 활물질의 탈리 정도를 측정한다. 구체적으로 탈리가 발생한 부분의 크기(폭 및 길이)를 측정할 수 있다. 측정 결과는 메모리 등의 저장시스템에 누적될 수 있으며, 이러한 데이터베이스는 표 또는 그래프 등의 시각자료로 기록될 수 있다. 이 때 측정의 정확도를 위해 최대한 많은 수의 전극에 대하여 측정을 수행하는 것이 바람직하다.
전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건은 상기 데이터베이스로부터 도출될 수 있다. 구체적으로, 상기 데이터베이스로부터 공정 조건 별 탈리를 최소화하기 위한 기준값을 설정할 수 있다. 상기 기준값은, 예를 들어 전극 활물질이 탈리된 부분의 면적이 가장 작았을 때의 공정 조건으로 설정될 수 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 공정 조건은 커팅 모사 장비의 치수일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 공정 조건은 커팅 속도, 전극(10)이 그립퍼(130)에 의해 걸리는 장력(Tension), 제2 커팅 부재(120)에 형성된 날과 전극면 사이의 각도, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재(110)와 제2 커팅 부재(120) 사이의 거리 및 제1 커팅 부재(110) 또는 제2 커팅 부재(120)와 그립퍼(130) 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이와 같은 공정 조건들은 커팅 부재와 전극 사이의 접촉 면적 또는 강도와 관련된 것으로서 전극 활물질의 탈리에 영향을 미치는 인자들이다.
구체적으로, 상기 커팅 속도는 전극(10)의 상부에 위치하는 제2 커팅 부재(120)가 전극(10)에 접촉되었을 때의 하강 속도를 의미한다.
또한, 전극(10)이 그립퍼(130)에 의해 걸리는 장력(Tension)이란, 전극(10)의 양측 단부에 위치하여 전극을 고정하는 그립퍼(130)에 의해 전극(10)이 팽팽하게 당겨지는 정도를 의미한다.
또한, 도 4를 참조하면, 제2 커팅 부재(120)에 형성된 날에는 전술한 바와 같이 소정 각도(θ)로 경사가 형성됨으로써 제2 커팅 부재가(120) 제1 커팅 부재(110)와 상호작용시 전극과 점 접촉을 유도할 수 있다. 본 발명은 상기 제2 커팅 부재(120)에 형성된 날의 경사가 전극면과 이루는 각도(θ)를 조절하면서 최적의 공정 조건을 도출할 수 있다.
한편, 제1 커팅 부재(110)와 제2 커팅 부재(120) 사이의 거리는 클리어런스(clearance)라고도 하며, 도 3에 나타낸 바와 같이 길이 방향(MD 방향)을 기준으로 한 거리(d1)를 의미한다. 전술한 바와 같이, 제1 커팅 부재(110)와 제2 커팅 부재(120)는 전극에 대하여 전단력을 인가하기 위해 그 끝단이 서로 부딪히지 않도록 길이 방향으로 어긋나게 위치해 있는데, 도 3을 참조하면 제1 커팅 부재(110)와 제2 커팅 부재(120) 사이의 거리는 어긋나게 위치한 각 커팅 부재 사이의 거리를 의미한다.
한편, 제1 커팅 부재(110) 또는 제2 커팅 부재(120)와 그립퍼(130) 사이의 거리는, 제1 커팅 부재(110)와 이에 가깝게 위치한 그립퍼 사이의 거리 또는 제2 커팅 부재(120)와 이에 가깝게 위치한 그립퍼 사이의 거리를 의미한다. 도 3을 참조하면, 제1 커팅 부재(110)와 제2 커팅 부재(120)는 길이 방향으로 어긋나게 위치해 있으며, 이에 따라 제1 커팅 부재(110)는 왼쪽에 위치한 제1 그립퍼(131)와 가깝게 위치하며, 제2 커팅 부재(120)는 오른쪽에 위치한 제2 그립퍼(132)와 가깝게 위치한다. 이 경우, 제1 커팅 부재(110) 또는 제2 커팅 부재(120)와 그립퍼(130) 사이의 거리는 제1 커팅 부재(110)와 제1 그립퍼(131) 사이의 거리(d2) 또는 제2 커팅 부재(120)와 제2 그립퍼(132) 사이의 거리(d3)를 의미한다. 이 때, 커팅 부재(110, 120)는 제1 그립퍼와 제2 그립퍼의 중간 지점에 위치하므로, 제1 그립퍼와 제2 그립퍼 사이의 거리를 공정 조건으로 설정할 수도 있다.
본 발명은 이와 같이 전극 활물질의 탈리 정도에 영향을 주는 공정 조건을 변경하면서 탈리를 최소화할 수 있는 공정 조건을 도출할 수 있다.
다른 하나의 예에서, 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계는, 전극 합제층의 조성을 달리하면서, 전극 합제층의 조성 및 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정을 포함한다. 예를 들어, 바인더, 전극 활물질 또는 도전재 중 어느 하나 이상의 함량을 변경하면서 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출할 수 있다.
전술한 바와 마찬가지로, 상기 상관관계란 전극 합제층의 조성 및 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도가 나타내는 경향성을 의미한다.
아울러, 전극 합제층의 조성 및 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정은, 전극 합제층의 조성 및 공정 조건을 변경하여 전극 활물질 탈리 정도를 측정하면서 전극 합제층의 조성 및 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도에 대한 데이터베이스를 구축하는 과정을 포함한다. 이를 위해, 상기 전극의 조성을 달리하여 전극을 다수 개 제조하고, 특정 조성을 갖는 전극에 대해 공정 조건을 변경해가면서 전극을 절단한 후 전극 활물질의 탈리 정도를 측정한다. 구체적으로 탈리가 발생한 부분의 크기(폭 및 길이)를 측정할 수 있다. 측정 결과는 메모리 등의 저장시스템에 누적될 수 있으며, 이러한 데이터베이스는 표 또는 그래프 등의 시각자료로 기록될 수 있다.
전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건은 상기 데이터베이스로부터 도출될 수 있다. 상기 전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건은 전극의 조성별로 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 데이터베이스로부터 전극 합제층의 조성 및 공정 조건 별 탈리를 최소화하기 위한 기준값을 설정할 수 있다. 상기 기준값은, 예를 들어 전극 합제층의 조성별로 전극 활물질이 탈리된 부분의 면적이 가장 작았을 때의 공정 조건으로 설정될 수 있다.
상기 공정 조건은 커팅 속도, 전극이 그립퍼에 의해 걸리는 장력(Tension), 제2 커팅 부재에 형성된 날과 전극면 사이의 각도, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재와 제2 커팅 부재 사이의 거리 및 제1 커팅 부재 또는 제2 커팅 부재와 그립퍼 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
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 기능하는 인조흑연과 천연흑연(중량비: 90:10)를 97.5중량부, 결합제로서 기능하는 스티렌-부타디엔 고무(SBR)를 1.4중량부, 카르복시메틸 셀룰로스(CMC)를 1.1중량부 혼합해서, 음극 합제를 조제했다. 이 음극 합제를 용매로서 기능하는 이온 교환수에 분산시키는 것에 의해, 음극 슬러리를 제조했다(조성 A로 표시). 이 슬러리를 두께 8 ㎛의 구리 호일의 양면에 코팅, 건조 및 압착하여 도 5와 같이 전극 합제층(11)이 형성된 전극(10)을 제조하였다.
<전극의 절단>
상기 도 2 내지 4에 도시된 커팅 장치를 사용하여 전극을 도 5와 같이 길이 방향(MD 방향)에 수직한 방향(A)으로 절단하였다. 이 때 전극이 그립퍼에 의해 걸리는 장력(Tension)을 0.3N, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재와 제2 커팅 부재 사이의 거리(clearance)를 10㎛, 커팅 속도를 0.12m/s, 제2 커팅 부재에 형성된 날과 전극면 사이의 각도를 1°, 그립퍼와 커팅 부재 사이의 거리(gap)를 10mm로 하였다. 이 때 그립퍼와 커팅 부재 사이의 거리는, 도 3의 제1 그립퍼와 제1 커팅 부재 사이의 거리로 하였다. 한편, 전극이 그립퍼에 의해 걸리는 장력(Tension)은 세경하이테크社의 TX-1을 사용하여 측정하였다.
<전극 활물질의 탈리 정도 측정>
전극의 절단 후, 전극 합제층에서 전극 활물질이 탈리된 부분의 폭 및 길이를 측정하였다. 도 5와 같이, 탈리된 부분의 MD(x축 방향) 방향 길이를 탈리된 부분의 폭(l1)으로 정의하고, 탈리된 부분의 TD 방향(y축 방향) 길이를 탈리된 부분의 길이(l2)로 정의하였다. 측정 결과를하기 표 1에 도시하였다.
실시예 1-1 내지 1-13
실시예 1의 전극과 동일한 조성(조성 A)을 갖는 전극을, 공정 조건 중 어느 하나 이상을 변경하면서 실시예 1과 동일하게 전극을 절단하고, 탈리된 부분의 폭 및 길이를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 도시하였다. 실시예 1-1 내지 1-13에서, 변경되지 않은 조건은 실시예 1과 동일하다.
실시예 2
음극 활물질로서 기능하는 인조흑연과 천연흑연(중량비: 90:10)를 95.7중량부, 결합제로서 기능하는 스티렌-부타디엔 고무(SBR)를 3.2중량부, 카르복시메틸 셀룰로스(CMC)를 1.1중량부 혼합해서, 음극 합제를 조제했다. 이 음극 합제를 용매로서 기능하는 이온 교환수에 분산시키는 것에 의해, 음극 슬러리를 제조했다(조성 B로 표시). 이 슬러리를 두께 8 ㎛의 구리 호일의 양면에 코팅, 건조 및 압착하여 도 5와 같이 전극 합제층(11)이 형성된 전극(10)을 제조하였다.
상기 전극을 실시예 1과 동일한 절단 조건으로 절단하고, 탈리된 부분의 폭 및 길이를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 도시하였다.
실시예 2-1
실시예 2의 전극과 동일한 조성(조성 B)을 갖는 전극을 커팅 속도를 변경하면서 실시예 2와 동일하게 전극을 절단하고, 탈리된 부분의 폭 및 길이를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 도시하였다. 실시예 2-1에서, 변경되지 않은 조건은 실시예 2와 동일하다.
변경된 공정 조건 수치 탈리 폭
(mm)		 탈리 길이
(mm)		 조성
실시예 1 - - 2.0 13 조성 A
실시예 1-1 Tension 0.5N 2.5 8.5
실시예 1-2 0.1N 2.5 14
실시예 1-3 Clearance 0㎛ 2.5 6.5
실시예 1-4 30㎛ 2.0 30
실시예 1-5 커팅 속도 0.01m/s 2.0 9
실시예 1-6 0.05m/s 2.5 11
실시예 1-7 제1 커팅 부재의 날의 각도 5° 탈리 없음 탈리 없음
실시예 1-8 그립퍼와 커팅 부재 사이 거리 10㎛ 2.0 13
실시예 1-9 40㎛ 2.0 30
실시예 1-10 60㎛ 2.0 30
실시예 1-11 그립퍼와 커팅 부재 사이 거리
(Tension 0.5N 조건)		 10㎛ 2.0 7.5
실시예 1-12 40㎛ 2.0 12.5
실시예 1-13 60㎛ 2.0 30
실시예 2 - - 탈리 없음 탈리 없음 조성 B
실시예 2-1 커팅 속도 0.01m/s 2.0 6
상기 표 1을 참조하면, 전극 합제층의 조성 및 공정 조건이 달라짐에 따라 전극 활물질의 탈리 정도가 달라짐을 확인할 수 있었다. 구체적으로 조성 A의 경우 전극이 그립퍼에 의해 걸리는 장력(Tension)이 클수록, 제2 커팅 부재에 형성된 날과 전극면 사이의 각도가 클수록, 커팅 속도가 느릴수록, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재와 제2 커팅 부재 사이의 거리(Clearance)가 작을수록, 커팅 부재와 그립퍼 사이의 거리가 짧을수록 탈리 정도가 개선되는 양상을 나타내었다.
반대로, 조성 B의 경우 커팅 속도가 빠를수록 탈리가 개선되는 양상을 나타내었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 활물질 탈리 평가 방법은, 전극을 제조한 후 실제 공정에 투입하여 탈리 정도를 평가할 필요 없이 간이 커팅 모사 장치를 사용하여 여러 공정 조건을 조절하면서 전극 활물질의 탈리 정도를 평가함으로써 여러 공정 변수에 따른 탈리 정도를 비교 및 평가하고, 공정 최적화를 통해 전극 활물질의 탈리를 개선할 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.
10: 전극
11: 전극 합제층
100: 커팅 모사 장치
110: 제1 커팅 부재
120: 제2 커팅 부재
130: 그립퍼
131: 제1 그립퍼
132: 제2 그립퍼
140: 구동 부재
150: 가이드 부재

Claims (12)

  1. 집전체 상에 전극 합제층이 형성된 구조의 전극을 커팅 모사 장치에 투입하는 단계;
    상기 전극을 절단하는 단계;
    전극의 절단 과정에서 발생한 전극 활물질의 탈리 정도를 측정하는 단계; 및
    전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계를 포함하는 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커팅 모사 장치는,
    전극의 하부에 위치하는 제1 커팅 부재;
    전극의 상부에 위치하며, 전극을 절단하도록 하면에 날이 형성되되, 상기 날에는 폭 방향(TD 방향)을 따라 전극면에 대해 경사가 형성되는 제2 커팅 부재; 및
    전극의 양 단을 고정시키기 위한 그립퍼를 포함하는 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커팅 모사 장치는,
    커팅 속도, 전극이 그립퍼에 의해 걸리는 장력(Tension), 제2 커팅 부재에 형성된 날과 전극면 사이의 각도, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재와 제2 커팅 부재 사이의 거리 및 제1 커팅 부재 또는 제2 커팅 부재와 그립퍼 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 조절 가능한 것인 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    전극 활물질의 탈리 정도를 측정하는 단계는,
    전극의 절단면에 인접한 부분에서 전극 활물질의 탈리가 발생한 부분의 크기를 측정하는 것인 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계는,
    공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정을 포함하는 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정은,
    공정 조건을 변경하여 전극 활물질 탈리 정도를 측정하면서, 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도에 대한 데이터베이스를 구축하는 과정을 포함하는 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건은 상기 데이터베이스로부터 도출되는 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 공정 조건은 커팅 속도, 전극이 그립퍼에 의해 걸리는 장력(Tension), 제2 커팅 부재에 형성된 날과 전극면 사이의 각도, 길이 방향(MD 방향) 기준 제1 커팅 부재와 제2 커팅 부재 사이의 거리 및 제1 커팅 부재 또는 제2 커팅 부재와 그립퍼 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건을 도출하는 단계는,
    전극 합제층의 조성을 달리하면서, 전극 합제층의 조성 및 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정을 포함하는 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    전극 합제층의 조성 및 공정 조건과 전극 활물질 탈리 정도와의 상관관계를 도출하는 과정은,
    전극 합제층의 조성 및 공정 조건을 변경하여 전극 활물질 탈리 정도를 측정하면서 전극 합제층의 조성 및 공정 조건에 따른 전극 활물질 탈리 정도에 대한 데이터베이스를 구축하는 과정을 포함하는 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    전극 활물질의 탈리 발생이 최소화되는 공정 조건은 상기 데이터베이스로부터 도출되는 전극 활물질 탈리 평가 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 음극인 전극 활물질 탈리 평가 방법.
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