KR20220099568A - 알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 필름으로 적층하기 위한 압연기용 작업 롤러 - Google Patents

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조나단 두베
프랑소와 라피에르
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블루 솔루션즈 캐나다 인크.
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Abstract

알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 필름으로 적층하기 위한 압연기용 작업 롤러가 개시된다. 작업 롤러는 중심축을 정의하는 원통형 중심부로서, 중심부는 적층 표면을 형성하는 외부 표면을 갖는, 중심부; 및 중심부의 제1 및 제2 단부로부터 각각 연장하는 제1 및 제2 절두 원추형 부분을 포함한다. 중심축이 직선일 때, 중심부의 외부 표면과 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 외부 표면 사이의 각도는 0.05도 미만이다. 중심부의 폭은 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 폭보다 크다. 중심부의 폭은 제1 및 제2 부분의 폭의 합보다 작다. 2개의 이러한 작업 롤러를 갖는 압연기가 또한 개시된다.

Description

알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 필름으로 적층하기 위한 압연기용 작업 롤러
상호 참조
본 출원은 그 전체 개시내용이 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 2019년 11월 18일 출원된 미국 가출원 제62/936,806호와, 2019년 11월 18일 출원된 미국 가출원 제62/936,809호와, 2019년 11월 18일 출원된 미국 가출원 제62/936,814호의 이익을 주장한다.
기술분야
본 발명의 기술은 알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 필름으로 적층하기 위한 압연기(rolling mill)용 작업 롤러 및 이러한 작업 롤러를 갖는 압연기에 관한 것이다.
고체 폴리머 전해질과 박막 애노드 및 캐소드의 라미네이트로부터 제조된 재충전 가능 배터리는 종래의 액체 전해질 배터리에 비교하여 다수의 장점을 나타낸다. 이들 장점은 더 낮은 전체 배터리 중량, 높은 비에너지, 더 긴 서비스 수명 및 환경으로의 독성 액체를 유출할 위험이 제거되기 때문에 환경 친화성을 포함한다.
고체 폴리머 배터리 구성요소는 양극, 음극 및 전극들 사이에 끼워진 고체 폴리머 전해질과 같은 이온 전도성을 허용하는 것이 가능한 절연재를 포함한다. 애노드 또는 음극은 일반적으로 리튬 금속, 리튬-알루미늄 합금 등과 같은 알칼리 금속 및 그 합금과 같은, 경량 금속 필름으로 제조된다. 복합 캐소드 또는 양극은 일반적으로 전이 금속 산화물과 같은 활성 재료의 혼합물, 전기 전도성 충전제, 일반적으로 탄소 입자, 이온 전도성 폴리머 전해질 재료 및 일반적으로 얇은 알루미늄 시트와 같은 집전체로 형성된다. 복합 캐소드 박막은 일반적으로 집전체 상에 코팅에 의해 얻어진다.
급속하고 신뢰적인 프로세스에 의해 예를 들어 10 센티미터 이상의 넓은 밴드의 형태의 100 미크론 미만 두께, 및 수백 미터의 길이를 갖는 리튬 박막의 제조는, 화학 반응성, 가단성, 낮은 기계적 강도, 간단한 접촉에 의한 급속한 자기 용접(self-welding) 및 대부분의 고체 재료 상의 강력한 접착과 같은, 이 금속의 극단적인 물리적 및 화학적 특성에 기인하는 중요한 기술적 어려움에 직면한다.
냉간 압출은 100 미크론 이상의 시트의 연속 제조를 위해 사용된다. 이들 두께는 일반적으로 액체 전해질을 이용하는 리튬 전지의 제조에 적합하다. 더 낮은 두께의 경우, 압출에 의해 얻어진 필름은 그 후 경질 재료로 제조된 작업 롤러 사이에 적층된다.
대규모 제조 프로세스에서, 폴리머 전해질 전지의 제조를 위해 20 내지 100 미크론으로 다양한 두께로 조밀한 리튬의 효율적인 적층을 달성하는 데 있어서의 어려움이 무수히 많다.
적층된 리튬 금속은 종종 적층 프로세스 동안 접촉하는 작업 롤러와 반응하고 그리고/또는 변형하여 접착된다. 이 문제는 그 각각의 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제5,837,401호, 제5,528,920호 및 제6,019,801호에 설명된 바와 같은 윤활제의 사용에 의해 해결될 수 있다. 윤활제는 얇은 적층된 리튬 필름이 작업 롤러에 반응하거나 과도하게 접착되는 것을 방지하고 결과적인 전기화학 전지의 전기화학에 영향을 미치지 않는 첨가제를 포함한다. 그러나, 적층 프로세스 동안 윤활제의 적절하고 효율적인 도포에 대한 요구가 있다.
리튬 또는 그 합금의 극단적인 연성은 작업 롤러를 빠져나가는 리튬 필름에 단지 아주 작은 인발 장력(drawing tension)만을 허용한다. 따라서, 인발 장력은 리튬 필름의 파손 또는 찢어짐 및 결과적으로 비용이 드는 제조 중단을 방지하기 위해 정밀하게 모니터링되고 제어되어야 한다.
20 내지 100 미크론의 두께로, 리튬 또는 그 합금의 필름을 필름의 전체 폭을 가로질러 그리고 필름의 연장된 길이에 걸쳐 일정한 두께로 적층하는 것이 어렵다. 두께의 변동이 종래의 적층 프로세스에서 적층된 리튬 필름의 폭을 가로질러 발생하는데, 이는 적층 동작 동안 리튬 필름의 파손을 촉진하고 결과적인 적층된 리튬 필름을 전기화학 전지에 덜 적절하게 한다.
작업 롤러는 전통적으로 리튬과 호환성이 있는(즉, 리튬과 반응하지 않는) 경질 플라스틱 재료인 폴리아세탈로 제조된다. 그러나, 대규모 제조의 경우, 폴리아세탈 롤러는 급속하게 마모되고 마모된 롤러의 빈번한 교체 및 폐기를 필요로 하여, 이에 의해 비용을 심하게 증가시킨다. 이는 적층 제조 프로세스를 경제적으로 어렵게 만든다.
따라서, 상기 문제 중 적어도 일부를 해결하는 필름으로 알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 적층하기에 적합한 압연기에 대한 요구가 있다. 또한 필름의 폭 및 길이에 걸쳐 바람직한 특성을 유지하는 이러한 압연기에 의해 제조된 알칼리 금속 필름에 대한 요구가 있다.
본 발명의 기술의 목적은 종래 기술에 존재하는 불편함의 적어도 일부를 개선하는 것이다.
본 발명의 기술의 일 양태에 따르면, 알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 필름으로 적층하기 위한 압연기가 제공된다. 압연기는 프레임; 프레임에 회전식으로 장착되는 제1 작업 롤러; 프레임에 회전식으로 장착되는 제2 작업 롤러로서, 제1 및 제2 작업 롤러는 그 사이에 시트를 수용하도록 위치되는, 제2 작업 롤러; 제1 작업 롤러를 굴곡하기 위해 제1 작업 롤러의 대향 단부들에 동작 가능하게 연결된 적어도 2개의 제1 액추에이터; 및 제2 작업 롤러를 굴곡하기 위해 제2 작업 롤러의 대향 단부들에 동작 가능하게 연결된 적어도 2개의 제2 액추에이터를 갖는다. 제1 및 제2 작업 롤러의 각각은 중심축을 정의하는 원통형 중심부로서, 중심부는 적층 표면을 형성하는 외부 표면을 갖는, 중심부; 중심부의 제1 단부로부터 연장하는 제1 절두 원추형 부분; 및 중심부의 제2 단부로부터 연장하는 제2 절두 원추형 부분을 갖는다. 중심축이 직선일 때, 중심부의 외부 표면과 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 외부 표면 사이의 각도는 0.05도 미만이다. 중심부의 폭은 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 폭보다 크다. 중심부의 폭은 제1 및 제2 부분의 폭의 합보다 작다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 각도는 0.03도 미만이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 각도는 0.02도 미만이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 각도는 0.01도 초과이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해, 중심부, 제1 절두 원추형 부분 및 제2 절두 원추형 부분은 크롬 코팅을 갖는다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 크롬 코팅은 경질 크롬 코팅이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해, 중심부, 제1 절두 원추형 부분 및 제2 절두 원추형 부분은 0.025 미크론 Ra 내지 0.5 미크론 Ra 범위의 표면 거칠기를 갖는다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 범위는 0.05 미크론 Ra 내지 0.3 미크론 Ra이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해, 제1 및 제2 절두 원추형 부분은 중심부로부터 이격하여 연장됨에 따라 테이퍼진다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해: 제1 숄더가 중심부와 제1 절두 원추형 부분 사이에 형성되고; 제2 숄더가 중심부와 제2 절두 원추형 부분 사이에 형성된다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해: 제1 절두 원추형 부분은 제1 절두 원추형 부분이 그 외부 단부로부터 중심부를 향해 연장됨에 따라 테이퍼지고; 제2 절두 원추형 부분은 제2 절두 원추형 부분이 그 외부 단부로부터 중심부를 향해 연장됨에 따라 테이퍼진다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 백업 롤러가 프레임에 회전식으로 장착된다. 제1 백업 롤러는 제1 작업 롤러 상에 압력을 인가하기 위해 제1 작업 롤러와 접촉한다. 제2 백업 롤러가 프레임에 회전식으로 장착되고, 제2 백업 롤러는 제2 작업 롤러 상에 압력을 인가하기 위해 제2 작업 롤러와 접촉한다.
본 발명의 기술의 다른 양태에 따르면, 알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 필름으로 적층하기 위한 압연기용 작업 롤러가 제공된다. 작업 롤러는 중심축을 정의하는 원통형 중심부로서, 중심부는 적층 표면을 형성하는 외부 표면을 갖는, 중심부; 중심부의 제1 단부로부터 연장하는 제1 절두 원추형 부분; 및 중심부의 제2 단부로부터 연장하는 제2 절두 원추형 부분을 갖는다. 이어서 중심축이 직선이고, 중심부의 외부 표면과 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 외부 표면 사이의 각도는 0.05도 미만이다. 중심부의 폭은 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 폭보다 크다. 중심부의 폭은 제1 및 제2 부분의 폭의 합보다 작다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 각도는 0.03도 미만이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 각도는 0.02도 미만이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 각도는 0.01도 초과이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 중심부, 제1 절두 원추형 부분 및 제2 절두 원추형 부분은 크롬 코팅을 갖는다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 크롬 코팅은 경질 크롬 코팅이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 중심부, 제1 절두 원추형 부분 및 제2 절두 원추형 부분은 0.025 미크론 Ra 내지 0.5 미크론 Ra 범위의 표면 거칠기를 갖는다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 범위는 0.05 미크론 Ra 내지 0.3 미크론 Ra이다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 절두 원추형 부분은 중심부로부터 이격하여 연장됨에 따라 테이퍼진다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 숄더가 중심부와 제1 절두 원추형 부분 사이에 형성된다. 제2 숄더가 중심부와 제2 절두 원추형 부분 사이에 형성된다.
본 발명의 기술의 몇몇 실시예에서, 제1 절두 원추형 부분은 제1 절두 원추형 부분이 그 외부 단부로부터 중심부를 향해 연장됨에 따라 테이퍼진다. 제2 절두 원추형 부분은 제2 절두 원추형 부분이 그 외부 단부로부터 중심부를 향해 연장됨에 따라 테이퍼진다.
본 출원의 목적을 위해, 표면 거칠기는 미터법 단위, 특히 미크론으로 표현된 거칠기 평균(Ra)으로 제공되고, 각도는 도로 표현된다(즉, 전체 회전의 경우 360도). 본 출원의 목적을 위해, 경도는 기계적 압입 또는 마모에 의해 변형이 유도되는 재료(예를 들어, 시트 및 필름)의 국소 변형에 대한 저항을 나타낸다. 본 출원의 목적을 위해, 인장 강도(TS)는 이러한 재료를 신장시키는 경향을 하중에 저항하는 재료(예를 들어, 시트 및 필름)의 용량을 칭한다. 인장 강도는 재료가 파손되기 전에 신장되거나 견인되는 동안 견딜 수 있는 최대 응력에 의해 측정된다.
용어 "약"은 명시적으로 또는 명시적이 아니게 본 명세서에서 사용되고; 본 명세서에 주어진 모든 양은 실제 주어진 값을 지칭하도록 의도되고, 또한 실험으로 인한 등가치 및 근사치 및/또는 이러한 주어진 값에 대한 측정 조건을 포함하여, 관련기술 분야의 통상의 기술에 기초하여 합리적으로 추론될 것인 이러한 주어진 값에 대한 근사치를 지칭하도록 의도된다. 예를 들어, 주어진 값 또는 범위의 맥락에서 용어 "약"은 주어진 값 또는 범위의 20% 이내, 바람직하게는 15% 이내, 더 바람직하게는 10% 이내, 더 바람직하게는 9% 이내, 더 바람직하게는 8% 이내, 더 바람직하게는 7% 이내, 더 바람직하게는 6% 이내, 더 바람직하게는 5% 이내인 값 또는 범위를 지칭한다.
본 발명의 기술의 실시예는 각각 전술된 목적 및/또는 양태 중 적어도 하나를 갖지만, 반드시 이들 모두를 가질 필요는 없다. 전술된 목적을 달성하려는 시도로부터 발생한 본 발명의 기술의 몇몇 양태는 이 목적을 만족하지 않을 수도 있고 그리고/또는 본 명세서에 구체적으로 언급되지 않은 다른 목적을 만족할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 기술의 실시예의 부가적인 및/또는 대안적인 특징, 양태 및 장점은 이하의 설명, 첨부 도면 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 기술의 더 양호한 이해, 뿐만 아니라 그 다른 양태 및 추가 특징을 위해, 첨부 도면과 함께 사용되는 이하의 설명이 참조되고, 여기서:
도 1은 리튬 또는 리튬 합금 시트를 박막으로 적층하기 위한 압연기 및 연관 구성요소의 개략 측단면도이다.
도 2는 적층되는 리튬 또는 리튬 합금 필름의 두께 및 형상의 제어를 가능하게 하는 도 1의 압연기의 주요 구성요소를 도시하고 있는 개략적인 측면도이다.
도 3은 도 2의 압연기의 주요 구성요소의 개략 정면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 상이한 조정으로 도시되어 있는 도 2의 압연기의 백업 롤러 및 작업 롤러의 개략 정면도로서, 작업 롤러의 절두 원추형 부분의 각도와 작업 롤러의 굴곡 정도는 예시의 목적으로 과장되어 있다.
도 5는 도 2의 압연기의 하나의 작업 롤러의 정면도이다.
도 6a는 도 5의 롤러의 일 실시예에 따른 도 5의 섹션 6의 확대도이다.
도 6b는 도 5의 롤러의 다른 실시예에 따른 도 5의 섹션 6의 확대도이다.
도 7은 도 2의 압연기에 공급되는 리튬 또는 리튬 합금 시트의 개략 단면 프로파일이다.
도 8은 도 1의 압연기의 상부 작업 롤러를 윤활하기 위한 적층 윤활제 분배 유닛의 사시도이다.
도 9는 도 1의 압연기의 하부 작업 롤러를 윤활하기 위한 적층 윤활제 분배 유닛의 사시도이다.
도 10은 도 9의 적층 윤활제 분배 유닛의 평면도이다.
도 11은 도 9의 적층 윤활제 분배 유닛의 정면도이다.
도 12는 도 10의 라인 12-12를 통해 취한 도 9의 적층 윤활제 분배 유닛의 단면도이다.
도 13은 도 12의 부분 13의 확대도이다.
도 1은 약 100 내지 500 미크론 두께의 미리 압출된 리튬 또는 리튬 합금 시트(14)로부터 100 미크론 미만 두께의 리튬 또는 리튬 합금 박막(12)을 제조하도록 구성된 압연기(10) 및 연관 구성요소를 개략적으로 도시하고 있다. 본 발명의 기술의 실시예가 리튬 또는 리튬 합금 시트(14)로부터 리튬 또는 리튬 합금 박막(12)의 제조와 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명의 기술의 적어도 몇몇 양태는 다른 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 합금 시트로부터 다른 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 합금 박막의 제조를 위해 사용될 수 있다는 것이 고려된다.
압연기(10)는 메인 프레임(16), 한 쌍의 작업 롤러(18a, 18b), 작업 롤러(18a)에 인접하고 접촉하는 백업 롤러(20a), 작업 롤러(18b)에 인접하고 접촉하는 백업 롤러(20b), 작업 롤러(18a) 상에 윤활제를 분배하기 위한 적층 윤활제 분배 유닛(22) 및 작업 롤러(18a) 상에 윤활제를 분배하기 위한 적층 윤활제 분배 유닛(200)을 포함한다. 볼 수 있는 바와 같이, 작업 롤러(18a)는 작업 롤러(18b) 아래에 배치된다. 작업 롤러(18a, 18b) 및 적층 윤활제 분배 유닛(22, 200)은 이하에 더 상세히 설명될 것이다. 작업 롤러(18a, 18b) 및 백업 롤러(20a, 20b)는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 지지 프레임(50, 52)(도 2) 상에 회전식으로 장착된다.
권취 압출된 리튬 또는 리튬 합금 시트(14)의 롤(24)은 작업 롤러(18a, 18b)에 도달하기 전에 리튬 시트(14)의 장력을 제어하도록 구성된 구동 모터 제어 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함하는 공급 롤러(26) 상에 배치된다. 시트(14)는 이동 시트(14)의 정확한 속도를 측정하는 인코더 롤러(41)와 적층 장치(10)에 진입하는 시트(14)의 장력을 정밀하게 측정하도록 구성된 로드 셀이 장착된 인장 롤러(43)로 이어지는 일련의 자유 롤러(28)를 통해 그 경로를 굽이치며 나아간다. 인장 롤러(43)의 로드 셀은 시트(14) 상에 인가되는 장력을 자동으로 조정하기 위해 롤(24)의 구동 모터의 제어 유닛에 전자적으로 결합될 수도 있다. 시트(14)는 이어서 시트(14)의 측방향 변위를 제거하고 시트(14)의 지그재그 운동을 방지하여 이에 의해 시트(14)가 적층 프로세스에 불리할 것인 임의의 측방향 직조 운동 없이 작업 롤러(18a, 18b)의 중심부로 직선으로 공급되는 것을 보장하는 효과를 갖는 일련의 단단히 패킹된 롤러(32)를 통해 시트(14)를 급속하게 권취하는 직선화기(30)로 공급된다. 따라서, 시트(14)는 롤러(18a, 18b) 사이의 고정된 위치에서 작업 롤러(18a, 18b) 내로 공급된다.
압연기(10)의 입구에서, 윤활제 분배 유닛(22, 200)은 적층 영역으로부터 상류의 각각의 작업 롤러(18a, 18b)의 작업 표면 상에 리튬과 호환성이 있는 적절한 양의 적층 윤활제를 배출하여 시트(14)가 적절하게 윤활된 작업 롤러(18a, 18b)로 적층되게 하여 이에 의해 작업 롤러(18a, 18b) 중 어느 하나 상의 적층 필름(12)의 바람직하지 않은 접착을 방지한다. 하나의 적합한 윤활제가 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제5,837,401호 및 제6,019,801호에 설명되어 있다. 일 실시예에서, 윤활제는 톨루엔, 헥산 및 폴리옥시에틸렌 디스테아레이트에 기초하고 각각의 작업 롤러(18a, 18b) 상에 충분한 양으로 사용되어 이들 중 어느 하나 상의 적층 필름(12)의 과도한 접착을 방지한다.
시트(14)는 2개의 작업 롤러(18a, 18b) 사이를 통과하고, 여기서 그 두께는 필름(12)의 원하는 최종 두께에 따라 약 100 내지 500 미크론으로부터 약 20 내지 100 미크론으로 감소된다. 압력이 백업 롤러(20a, 20b)에 의해 작업 롤러(18a, 18b) 상에 인가되고, 이는 이어서 그 두께를 감소시키고 필름(12)으로 변형하기에 충분한 압력을 시트(14) 상에 인가한다. 적층 압력은 작업 롤러(18a, 18b) 상에 직접 인가되는 대신 백업 롤러(20a, 20b)를 통해 인가되어 필름(12)의 형상 및 두께에 반영될 작업 롤러(18a, 18b)의 임의의 원하지 않는 굴곡을 회피하는 것을 돕는다. 이하에 설명되는 바와 같이, 작업 롤러(18a, 18b)의 표면 거칠기는 고급 품질의 박막(12)을 제조하기 위해 최소여야 한다. 백업 롤러(20a, 20b)에 의해 작업 롤러(18a, 18b) 상에 인가되는 압력은 각각의 롤러(18a, 18b)의 표면 상에 균일하게 분포되어, 이에 의해 작업 롤러(18a, 18b)의 형상을 그대로 남겨둔다. 그러나, 작업 롤러(18a, 18b)가 충분히 강성이면, 시트(14)의 두께를 감소시키고 이를 필름(12)으로 변형하는 데 요구되는 필요 압력은 임의의 백업 롤러의 사용 없이 작업 롤러(18a, 18b)에 의해 직접 인가될 수도 있다. 복수의 백업 롤러가 각각의 작업 롤러(18a, 18b) 상에 균일한 압력을 인가하기 위해 사용될 수 있다는 것이 또한 고려된다. 예를 들어, 2개의 쌍의 백업 롤러가 작업 롤러(18a, 18b)의 양 측에 위치될 수도 있다.
적층 필름(12)은 광학 내화 시스템(36)을 통해 견인되는데, 이 시스템은 필름(12) 표면의 균일성을 측정하고 필름(12) 상의 임의의 다공성 및 필름(12)의 에지를 따른 균열을 또한 검출한다. 광학 시스템이 또한 필름(12)의 두께를 측정하는 데 사용될 수 있다. 제어된 장력은 필름(12)이 적절하게 권취되는 것을 보장하기 위해 종동 권취 롤러(38)에 의해 필름(12) 상에 인가된다. 권취 롤러(38)에 도달하기 전에, 적층 필름(12)은 일련의 롤러를 통해 제어된 장력 하에서 그 경로를 굽이치며 나아간다. 이들 롤러 중 제1 롤러는 압연기(10)를 빠져나가는 적층 필름(12) 상의 장력을 정밀하게 측정하도록 구성된 로드 셀이 장착된 인장 롤러(45)이다. 인장 롤러(45)의 로드 셀은 시트(12) 상에 인가되는 장력을 자동으로 조정하기 위해 권취 롤러(38)의 구동 모터의 제어 유닛에 전자적으로 결합될 수도 있다. 필름(12)은 이어서 이동 필름(12)의 정확한 속도를 측정하는 인코더 롤러(47)를 통과한다. 필름(12)은 이어서 권취 롤러(38)로 이어지는 일련의 자유 롤러(34)를 통과한다.
폴리프로필렌 필름과 같은 얇은 절연 필름(90)이 또한 권취 롤러(38) 주위에 권취되어 필름(12)의 층을 서로 접착되지 않도록 분리한다. 절연 필름(90)은 롤(92)로부터 권취 롤러(38)에 의해 견인된다. 롤(92)로부터, 절연 필름(90)은 롤러(38)에 도달하기 전에 인장 롤러(94)를 통과한다. 인장 롤러(94)는 절연 필름(90) 상의 장력을 정밀하게 측정하도록 구성된 로드 셀이 장착되어 있다. 이 장력 측정은, 권취 롤러(38)에 의해 인가되는 장력이 필름(12)과 절연 필름(90) 사이에서 분할되기 때문에 권취 롤러(38)에 의해 필름(12) 상에 인가되는 장력을 제어하는 데 사용된다.
인코더 롤러(41, 47)는 각각 압연기(10)에 진입하는 시트(14)의 속도와 압연기(10)를 빠져나가는 적층 필름(12)의 속도를 측정한다. 시트(14)의 진입 속도와 적층 필름(12)의 진출 속도 사이의 관계는 초기 시트(14)로부터 필름(12)으로의 두께 감소에 정비례한다. 이와 같이, 적층 필름(12)의 두께는 초기 시트(14)의 두께가 인지될 때 수학적으로 결정될 수도 있다. 따라서, 적층 필름(12)의 두께는 인코더 롤러(41, 47)에 의해 측정된 속도 사이의 속도 차이를 통해 제어되고 검증된다. 적층 필름(12)의 두께는 상이하게 제어되고 검증될 수 있는 것으로 고려된다.
일 실시예에서, 적층 프로세스는 1% 미만의 상대 습도를 함유하는 무수물 분위기에서 수행되어 리튬 필름(12)을 전기화학 전지에 사용하기에 부적합하게 만드는 물 입자와 리튬 필름(12)의 임의의 원하지 않는 화학 반응을 방지한다.
이제, 도 2 및 도 3을 참조하면, 적층되는 필름(12)의 두께 및 형상의 제어를 가능하게 하는 압연기(10)의 주요 구성요소가 설명될 것이다. 예시된 압연기(10)는 적층 필름(12)의 형상 및 두께를 제어하도록 구성된 압연기의 일 예시적인 실시예이고 다른 실시예가 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 지지 부재와 프레임은 상이한 구성을 가질 수도 있고, 다양한 유압 시스템 구성이 사용될 수도 있다.
백업 롤러(20a, 20b)는 각각 지지 프레임(50, 52)의 베어링 상에 각각 회전 가능하게 장착된다. 지지 프레임(52)은 활주 채널 또는 베어링과 같은 임의의 적합한 수단을 통해 메인 프레임(16)의 수직 부재 상에 활주 가능하게 장착된다. 지지 프레임(50)은 메인 프레임(16)의 수직 부재 상에 고정 장착된다. 따라서, 지지 프레임(52)은 수직으로 이동할 수도 있다. 작업 롤러(18a, 18b)는 각각 전기 또는 유압 모터(도시되어 있지 않음)에 의해 구동된다. 작업 롤러(18a, 18b)는 마찰에 의해 백업 롤러(20a, 20b)를 구동한다. 한 쌍의 유압 선형 액추에이터(66)가 메인 프레임(16)의 상부 수평 부재에 장착된다. 유압 액추에이터는 지지 프레임(52)에 연결된다. 유압 선형 액추에이터(66)는 지지 프레임(52)의 상하 이동, 뿐만 아니라 작업 롤러(18a, 18b) 상에 인가되는 압력을 제어한다. 작업 롤러(18a, 18b)는 각각 지지 부재(54, 56) 상에 회전식으로 장착된다. 지지 부재(54, 56)는 각각 지지 프레임(50, 52)에 동작식으로 연결된다. 지지 부재(54)의 단부(58, 59)는 한 쌍의 유압 선형 액추에이터(60, 61)를 통해 지지 프레임(50)에 동작 가능하게 연결되고, 지지 부재(56)의 단부(62, 63)는 한 쌍의 유압 선형 액추에이터(64, 65)를 통해 지지 프레임(52)에 동작 가능하게 연결된다.
동작시, 적층 속도는 작업 롤러(18a, 18b)의 속도에 의해 설정된다. 필름(12)의 두께를 원하는 두께로 감소시키는 데 필요한 압력(P)은 유압 선형 액추에이터(66)를 제어하는 유압 밸브를 통해 조정된다. 백업 롤러(20b)는 압력(P)을 작업 롤러(18b)에 전달한다. 일단 원하는 압력(P)이 설정되면, 적층 필름(12)의 최종 형상은 각각의 유압 선형 액추에이터(60, 61, 64, 65)에 대한 유체 압력을 조절함으로써 미세 조절되어 이에 의해 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 각각의 유압 선형 액추에이터(60, 61, 64, 65)에 의해 지지 부재(54, 56) 상에 인가된 힘을 조정한다. 유압 선형 액추에이터(60, 61, 64, 65, 66)는 전기 액추에이터와 같이, 충분한 힘을 발생하는 것이 가능한 다른 유형의 액추에이터로 대체될 수도 있다. 대안 실시예에서, 부가의 유압 선형 액추에이터가 지지 부재(54, 56) 사이에 연결된다. 이러한 실시예에서, 유압 선형 액추에이터(60, 61, 64, 65, 66)는 지지 부재(54, 56)를 서로를 향해 미는 데 사용되고, 부가의 유압 선형 액추에이터는 지지 부재(54, 56)를 서로를 향해 미는 데 사용된다.
적층 프로세스 동안, 열이 작업 롤러(18a, 18b)를 약간 팽창시키는 효과를 갖고 적층 표면에서 발생된 마찰을 통해 작업 롤러(18a, 18b) 내에 축적된다. 적층 구역에서 수 미크론만큼의 작업 롤러(18a, 18b)의 팽창은 박막 전기화학 전지에 부적합한 불균일 두께의 필름(12)을 생성하기에 충분하다. 이 문제를 완화하고 균일한 두께의 필름(12)을 보장하는 것을 돕기 위해, 팽창된 작업 롤러(18a, 18b)의 중심부(100)(도 4a)는 작업 롤러(18a, 18b)를 굴곡함으로써 조정되어 중심부(100)를 직선화하고 균일한 두께의 리튬 필름(12)을 제조한다. 이 제어 프로세스는 도 4a 내지 도 4c에 관련하여 이하에 설명될 것이다. 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있는 작업 롤러(18a, 18b)의 형상은 명료화를 위해 크게 과장되었다는 것이 주목되지만, 작업 롤러(18a, 18b)의 단부의 테이퍼링 및 굴곡된 프로파일은 이들이 완벽한 선형 프로파일로부터의 단지 수 미크론의 편차만을 나타내기 때문에, 실제로 육안으로 볼 수 없다는 것이 이해되어야 한다.
도 4a는 중립 위치에서 작업 롤러(18a, 18b)를 도시하고 있다. 백업 롤러(20a, 20b)는 시트(14)의 두께를 필름(12)의 원하는 두께로 감소시키기에 충분한 압력(P)을 작업 롤러(18a, 18b) 상에 인가하고, 반면 작업 롤러(18a, 18b)의 지지 부재(54, 56)에는 측방향 힘이 인가되지 않는다.
도 4b에서, 백업 롤러(20a, 20b)는 시트(14)의 두께를 필름(12)의 원하는 두께로 감소시키기에 충분한 압력(P)을 작업 롤러(18a, 18b) 상에 여전히 인가한다. 그러나, 열 팽창으로 인해, 작업 롤러(18a, 18b)의 중심부는 시트(14)에 대한 중심부(100)의 마찰에 의해 발생된 열 축적을 통해 팽창된다. 작업 롤러(18a, 18b)를 변형시킨 이러한 열 팽창을 보상하기 위해, 내향 배향된 측방향 힘(Fx)이 지지 부재(54, 56)에 인가된다. 측방향 힘(Fx)은 작업 롤러(18a, 18b)를 외향으로 약간 굴곡하여, 이에 의해 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이 중심부(100)를 평탄화한다. 작업 롤러(18a, 18b)의 외부 에지는 중심부(100)를 직선화하기 위해 내향으로 굴곡된다. 따라서, 결과적인 적층 필름(12)은 평탄하고 균일한 두께를 가질 것이다. 작업 롤러(18a, 18b)의 열 팽창은 또한 작업 롤러(18a, 18b) 상의 적층 윤활제의 도포에 의해 부분적으로 상쇄된다. 작업 롤러(18a, 18b)를 냉각시키는 부가의 수단이 작업 롤러(18a, 18b)의 열 팽창을 상쇄하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다는 것이 또한 고려된다.
적층되는 시트(14)의 에지가 그 중앙부보다 두꺼울 때, 그 폭 전체에 걸쳐 균일한 두께를 갖는 필름(12)을 적층하기 위해, 더 많은 압력이 작업 롤러(18a, 18b)에 의해 시트(14)의 외부 에지에 그리고 따라서 중심부(100)의 외부 에지에 인가되어야 한다. 이를 위해, 동일한 측방향 힘(Fx)이 지지 부재(54, 56)에 인가되어 이에 의해 작업 롤러(18a, 18b)의 외부 에지를 내향 약간 굴곡하고, 그 중앙부보다 시트(14)의 에지에 더 많은 압력을 인가한다. 그 결과, 적층 필름(12)은 그 폭 전체에 걸쳐 균일한 두께를 갖는다. 시트(14)에 대한 중심부(100)의 마찰을 통해 작업 롤러(18a, 18b)에 열이 축적됨에 따라, 작업 롤러(18a, 18b)의 중심부가 약간 팽창한다. 작업 롤러(18a, 18b)의 중심부의 직경을 약간 증가시키는 이러한 열 팽창을 보상하기 위해, 측방향 힘(Fx)은 결과적인 적층 필름(12)이 그 전체 폭의 전체에 걸쳐 균일한 두께를 가질 것이도록 중심부(100)를 직선으로 유지하기 위해 비례적으로 감소된다.
때때로, 적층되는 시트(14)의 중앙부는 그 에지보다 두꺼울 수 있다. 그 폭 전체에 걸쳐 균일한 두께를 갖는 필름(12)을 적층하기 위해, 더 많은 압력이 작업 롤러(18a, 18b)에 의해 시트(14)의 중앙부 상에 그리고 따라서 중심부(100)의 중앙부에 인가되어야 한다. 도 4c에 도시되어 있는 바와 같이, 이를 위해, 외향 배향된 측방향 힘(Fy)이 지지 부재(54, 56)에 인가된다. 측방향 힘(Fy)은 작업 롤러(18a, 18b)의 중앙부를 내향으로 약간 굴곡하여 중심부(100)의 중앙부를 내향으로 가압하여, 이에 의해 시트(14)의 중앙부 상에 더 많은 압력을 인가하고 그 전체 폭의 전체에 걸쳐 균일한 두께를 갖는 필름(12)을 적층한다.
몇몇 상황에, 시트(14)에 대한 중심부(100)의 마찰에 의해 발생된 열이 작업 롤러(18a, 18b)의 만나는 표면의 외부 부분에 축적되어 이들을 팽창시켜, 중심부(100)의 중앙부 내에 작은 간극을 개방시킨다. 이러한 열 팽창을 보상하기 위해, 외향 배향된 측방향 힘(Fy)이 작업 롤러(18a, 18b)의 지지 부재(54, 56)에 인가된다. 측방향 힘(Fy)은 중심부(100)의 중앙부를 내향으로 약간 굴곡시키고 중심부(100)를 직선화한다. 작업 롤러(18a, 18b)의 중심부(100)의 프로파일은 결과적인 적층 필름(12)이 평탄하고 그 전체 폭의 전체에 걸쳐 균일한 두께를 가질 것이도록 직선으로 다시 굴곡된다.
작업 롤러(18a, 18b)의 대칭 조정만이 도 4b 및 도 4c에 도시되어 있지만, 지지 부재(54, 56)는 서로 독립적이기 때문에, 다른 조정이 가능하다. 예를 들어, 작업 롤러(18a, 18b)가 다른 측보다 일 측에서 더 많이 팽창하면, 좌측 또는 우측 지지 부재(54, 56)가 대향 측에서 지지 부재(54, 56)의 힘(Fx 또는 Fy)을 초과하는 힘(Fx 또는 Fy)를 가질 수도 있어 다수의 미세 조절 조정이 가능하게 된다.
광학 내화 시스템(36)과 같은 적절한 측정 디바이스의 정밀한 측정과 조합된 중심부(100)의 형상의 조정은 압연기(10)가 그 전체 길이 및 폭의 전체에 걸쳐 거의 일정한 두께를 나타내는 20 내지 100 미크론의 두께 범위에서 고급 품질의 적층 필름(12)을 제조하는 것을 가능하게 한다.
적층 필름(12)의 프로파일 및 두께의 조정은 백업 롤러(20a, 20b)에 의해 인가되는 압력과 지지 부재(54, 56)에 인가되는 압력을 미세 조절하는 현장 작업자에 의해 수행될 수도 있고 또는 이 작업은 백업 롤러(20a, 20b) 및 작업 롤러(18a, 18b)의 다양한 압력 및 힘을 제어하는 측정 판독값 및 액추에이터 제어를 이들 파라미터의 실시간 조정을 제공하는 컴퓨터에 연결함으로써 전자식으로 수행될 수도 있다.
이제, 도 5 내지 도 6b를 참조하여, 작업 롤러(18a)가 더 상세히 설명될 것이다. 본 실시예에서, 작업 롤러(18b)는 작업 롤러(18a)와 동일하고, 이와 같이 작업 롤러(18b)는 본 명세서에서 별도로 설명되지 않을 것이다. 작업 롤러(18b)는 작업 롤러(18a)와 부분적으로 상이할 수 있는 것으로 고려된다.
전술된 바와 같이, 작업 롤러(18a)는 중심부(100)를 갖는다. 중심부(100)는 원통형 중심부(100)이다. 중심부(100)의 외부 표면(102)은 적층 프로세스 동안 시트(14) 위로 롤링되는 적층 표면을 형성한다. 이와 같이, 중심부(100)는 적층될 시트(14)의 폭(W2)(도 7)보다 약간 더 넓은 폭(W1)을 갖는다. 중심부(100)는 작업 롤러(18a)의 중심축(104)을 형성한다.
절두 원추형 부분(106)은 중심부(100)의 단부로부터 연장된다. 절두 원추형 부분(106)은 서로의 경면 이미지이다. 도 5에서, 절두 원추형 부분(106)의 외부 표면(110)은 테이퍼링되는 것으로 나타나지 않는다. 이는 테이퍼링 각도가 매우 작고 육안으로 볼 수 없기 때문이다. 이 각도는 작업 롤러(18a)의 2개의 상이한 실시예를 도시하고 있고 이하에 설명될 도 6a 및 도 6b에서 과장되어 있다. 각각의 절두 원추형 부분(106)은 폭(W3)을 갖는다. 중심부(100)의 폭(W1)은 각각의 절두 원추형 부분(106)의 폭(W3)보다 크다. 중심부(100)의 폭(W1)은 양 절두 원추형 부분(106)의 폭(W3)의 합보다 작다(즉, W1 < W3 + W3). 몇몇 실시예에서, 폭(W1)은 125 mm 내지 210 mm이고 폭(W3)은 65 mm 내지 110 mm이다.
도 6a에 도시되어 있는 일 실시예에서, 절두 원추형 부분(106)은 이들이 중심부(100)로부터 이격하여 연장함에 따라 테이퍼진다. 이 실시예는 테이퍼링이 과장되어 있는 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있는 것이다. 이 실시예에서, 숄더(108)가 중심부(100)와 각각의 절두 원추형 부분(106)(도 6a의 하나의 절두 원추형 부분에 대해 도시되어 있음) 사이에 형성된다. 몇몇 실시예에서, 숄더(108)는 0.05 mm 미만인 높이(H1)를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 높이(H1)는 0.02 mm 미만이다. 숄더(108)는 생략될 수 있는 것으로 고려된다. 중심축(104)이 직선일 때(즉, 작업 롤러(18a)가 도 4a에서와 같이 중립 위치에 있을 때), 중심부(100)의 외부 표면(102)과 절두 원추형 부분(106)의 외부 표면(110) 사이의 각도(A)는 0.05도 미만이다. 몇몇 실시예에서, 각도(A)는 0.03도 미만이다. 몇몇 실시예에서, 각도(A)는 0.02도 미만이다. 몇몇 실시예에서, 각도(A)는 0.02도 미만, 0.01도 초과이다. 몇몇 실시예에서, 중심부(100)는 70 mm 내지 90 mm의 직경(D1)을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 각각의 절두 원추형 부분(106)의 최소 직경(D2)과 최대 직경(D3) 사이의 차이는 0.03 mm 내지 0.17 mm이다. 이 실시예에 따른 작업 롤러(18a, 18b)의 프로파일은 절두 원추형 부분(106) 사이에 자유 구역(84)(도 4a)을 그리고 절두 원추형 부분(106)과 백업 롤러(20a, 20b) 사이에 자유 구역(85)(도 4a)을 제공함으로써 이들의 굴곡을 용이하게 하여 작업 롤러(18a, 18b)의 단부가 이동되어 원하는 바와 같이 중심부(100)를 굴곡할 수도 있게 된다. 자유 구역(84)은 또한 적층 프로세스 동안 과잉 적층 윤활제가 측방향으로 배출될 수 있게 한다. 도 6a에 도시되어 있는 실시예의 작업 롤러(18a)는 압연기(10)에서 이루어질 수 있는 조정 덕분에 다수의 상이한 프로파일을 갖는 시트(14)와 함께 사용될 수 있지만(도 4a 내지 도 4c와 관련하여 전술된 바와 같이), 작업 롤러(18a)의 이 실시예는 그 측면 부분(114)의 높이(H3)(도 7)보다 작은 높이(H2)(도 7)를 갖는 중앙부(112)로 압출된 시트(14)를 적층하기 위해 특히 적합하다. 다시, 도 7에서, 높이(H2, H3)는 차이가 육안으로 볼 수 없기 때문에 상이한 것처럼 보이지 않는다. 몇몇 실시예에서, 높이(H2)는 높이(H3)보다 15 미크론 미만 더 작다.
도 6b에 도시되어 있는 다른 실시예에서, 각각의 절두 원추형 부분(106)은 그 외부 단부로부터 중심부(100)를 향해 연장함에 따라 테이퍼진다(즉, D2가 D3보다 큼). 중심축(104)이 직선일 때(즉, 작업 롤러(18a)가 중립 위치에 있을 때), 중심부(100)의 외부 표면(102)과 절두 원추형 부분(106)의 외부 표면(110) 사이의 각도(B)는 0.05도 미만이다. 몇몇 실시예에서, 각도(B)는 0.03도 미만이다. 몇몇 실시예에서, 각도(B)는 0.02도 미만이다. 몇몇 실시예에서, 각도(B)는 0.02도 미만, 0.01도 초과이다. 몇몇 실시예에서, 중심부(100)는 70 mm 내지 90 mm의 직경(D1)을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 각각의 절두 원추형 부분(106)의 최대 직경(D2)과 최소 직경(D3) 사이의 차이는 0.03 mm 내지 0.17 mm이다. 도 6b에 도시되어 있는 실시예의 작업 롤러(18a)는 압연기(10)에서 이루어질 수 있는 조정 덕분에 다수의 상이한 프로파일을 갖는 시트(14)와 함께 사용될 수 있지만(도 4a 내지 도 4c와 관련하여 전술된 바와 같이), 작업 롤러(18a)의 이 실시예는 그 측면 부분(114)의 높이(H3)(도 7)보다 큰 높이(H2)(도 7)를 갖는 중앙부(112)로 압출된 시트(14)를 적층하기 위해 특히 적합하다. 몇몇 실시예에서, 높이(H2)는 높이(H3)보다 15 미크론 미만 더 크다.
도 5로 돌아가서, 작업 롤러(18a)는 절두 원추형 부분(106)의 단부로부터 연장하는 지지 샤프트(116, 118)를 갖는다. 지지 샤프트(116, 118)는 작업 롤러(18a)를 지지 부재(54)(또는 작업 롤러(18b)용 지지 부재(56))에 회전식으로 장착하기 위한 베어링(도시되어 있지 않음) 내에 수용된다. 지지 샤프트(118)는 작업 롤러(18b)를 구동하는 모터에 연결을 위해 구성된 연장부(120)를 갖는다. 부분(100, 106) 및 지지 샤프트(116, 118)는 일체로 형성된다.
전술된 바와 같이, 작업 롤러(18a, 18b) 상에 분배된 적층 윤활제는 작업 롤러(18a, 18b) 상의 리튬 필름(12)의 접착을 방지하는 것을 도와 필름(12)이 직선으로 작업 롤러(18a, 18b)를 빠져나가게 한다. 윤활제의 사용은 리튬에 대한 그 접착 때문에 일반적으로 적절하지 않을 것인 재료로 제조된 작업 롤러(18a, 18b)로 리튬 및 리튬 합금을 적층하는 것을 가능하게 한다. 윤활제는 이러한 제한을 무효화한다. 따라서, 대규모 제조를 위해, 작업 롤러(18a, 18b)는 바람직하게는 강 또는 스테인리스 강 또는 심지어 세라믹과 같은 내구성이 있는 경질 재료로 제조된다. 몇몇 실시예에서, 강 또는 스테인리스 강 롤러(18a, 18b)는 추가된 경도를 위해 얇은 크롬 코팅을 갖는다. 크롬 코팅은 작업 롤러(18a, 18b)의 적어도 중심부(100) 및 절두 원추형 부분(106)에 도포된다. 몇몇 실시예에서, 크롬 코팅은 경질 크롬 코팅이다. 필름(12)에 대한 원하는 표면 마감을 제공하고 작업 롤러(18a, 18b) 상에 적층 윤활제의 일부 접착을 허용하기 위해, 몇몇 실시예에서 중심부(100) 및 절두 원추형 부분(106)의 외부 표면(102, 110)은 0.025 미크론 Ra 내지 0.5 미크론 Ra의 범위의 표면 거칠기를 갖는다. 다른 실시예에서, 표면 거칠기는 0.05 미크론 Ra 내지 0.30 미크론 Ra의 범위에 있다.
이제, 도 8을 참조하여, 적층 윤활제 분배 유닛(22)이 더 상세히 설명될 것이다. 적층 윤활제 분배 유닛(22)은 레일(152)에 장착된 4개의 노즐(150)을 포함한다. 적층 윤활제 분배 유닛(22)은 4개 초과 또는 미만의 노즐(150)을 가질 수 있는 것으로 고려된다. 적층 윤활제는 흡기 커넥터(154)를 통해 레일(152) 내부의 통로(도시되어 있지 않음)에 공급된다. 흡기 커넥터(154)는 그 내부에 적층 윤활제를 보유하는 윤활제 저장조(도시되어 있지 않음)로부터 흡기 커넥터(154)로 윤활제를 공급하는 펌프(도시되어 있지 않음)에 유체 연결된다. 4개의 노즐(150)은 레일(152) 내부의 통로와 유체 연통한다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 적층 윤활제 분배 유닛(22)은 적층 영역의 상류에 배치되고 작업 롤러(18b)로부터 이격된다. 적층 윤활제 분배 유닛(22)은 작업 롤러(18b)의 중심축(104) 위에 배치되고 노즐(150)이 작업 롤러(18b)의 적층 표면 상에 적층 윤활제를 연속적으로 분사하도록 각형성된다. 노즐(150)로부터의 분사는 적층 표면보다 약간 더 넓은 영역을 커버한다.
각각의 노즐(150)은 노즐 본체(156), 필터, 노즐 헤드(158) 및 너트(160)를 갖는다. 노즐 본체(156)는 레일(152) 내로 나사 결합된다. 필터는 노즐 본체(156) 내부에 배치된다. 노즐 헤드(158)는 분사 구멍(162)을 형성하고 노즐 본체(156)의 단부 상에 배치된다. 너트(160)는 노즐 본체(156) 위에 배치되고 노즐 헤드(158) 및 필터를 제 위치에 유지하기 위해 노즐 본체(156) 상에 나사 결합된다.
이제, 도 9 내지 도 13을 참조하여, 적층 윤활제 분배 유닛(200)이 설명될 것이다. 본 실시예에서, 적층 윤활제 분배 유닛(200)은 단일편의 정전 분산 아세탈 공중합체로부터 제조된다. 예를 들어 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 열가소성 폴리우레탄, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리비닐클로라이드, 황동 및 알루미늄과 같은 다른 유형의 재료가 사용될 수 있는 것이 고려된다. 다른 재료가 또한 고려된다. 적층 윤활제 분배 유닛(200)은 서로 접합되거나 다른 방식으로 연결된 다수의 부품으로부터 제조될 수 있는 것이 또한 고려된다.
적층 윤활제 분배 유닛(200)은 분배 유닛 본체(202)를 갖는다. 분배 유닛 본체(202)의 각각의 후방 코너 부분은 2개의 구멍(206)을 형성한다. 체결구(도시되어 있지 않음)가 작업 롤러(18a)와 직선화기(30) 사이의 위치에서 압연기(10)의 프레임(16)에 분배 유닛 본체(202)를 체결하기 위해 구멍(206)에 수용된다. 분배 유닛 본체(202)는 측방향으로 연장하는 벽(208)을 형성한다. 단일 윤활제 통로(210)가 도 12에 가장 양호하게 도시되어 있는 바와 같이 분배 유닛 본체(202) 내에 형성된다. 윤활제 통로(210)는 분배 유닛 본체(202)의 후방 벽(214)에 형성된 입구(도시되어 있지 않음) 및 측방향으로 연장하는 벽(208)에 형성된 출구(216)를 갖는다. 볼 수 있는 바와 같이, 출구(216)는 측방향으로 연장하는 벽(208)에 측방향으로 중심 설정되고 그 저부에 배치된다. 다수의 윤활제 통로(210)가 분배 유닛 본체(202)에 형성될 수 있고, 이들 통로의 출구는 측방향으로 연장하는 벽(208)을 따라 상이한 위치에 있는 것이 고려된다. 이들 다수의 윤활제 통로(210) 중 적어도 일부는 공통 입구를 가질 수 있다는 것이 또한 고려된다.
2개의 측벽(218)은 측방향으로 연장하는 벽(208)으로부터 전방으로 연장된다. 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 측벽(218)은 서로 평행하다. 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 측벽(218)의 전방 단부(220)는 작업 롤러(18a)와 간섭하지 않도록 수직으로부터 각형성된다.
적층 윤활제 분배 유닛(200)은 또한 레지(222)를 갖는다. 레지(222)는 측방향으로 연장하는 벽(208)의 하단부에 연결되고 그로부터 전방으로 연장된다. 레지(222)는 또한 측벽(218)의 하단부에 연결되고 그 사이에서 연장된다. 레지(222), 측벽(218) 및 측방향으로 연장하는 벽(208)은 함께 적층 윤활제 분배 유닛(200)의 전방에서 개방된 측면을 갖는 리세스(224)를 형성한다. 레지(222)는 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 작업 롤러(18a)의 중심축(104)의 수직으로 아래의 위치에서 작업 롤러(18a)의 적층 표면과 맞접하는 전방 에지(226)를 갖는다. 전방 에지(226)는 적층 윤활제가 적층 표면의 전체 폭을 가로질러 도포되는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 작업 롤러(18a)의 적층 표면의 폭(W1)보다 더 큰 폭(W4)(도 10)을 갖는다.
도 13을 참조하면, 레지(222)는 전방 에지(226)로부터 측방향으로 연장하는 벽(208)을 향해 상향 및 후방으로 연장하는 각형성 부분(228)을 갖는다. 각형성 부분(228)과 전방 에지(226) 사이의 코너(230)는 아치형이다. 몇몇 실시예에서, 각형성 부분(228)은 수평으로부터 5도 내지 25도의 각도(C)로 연장된다. 몇몇 실시예에서, 각도(C)는 수평으로부터 10도 내지 20도이다. 레지(222)는 또한 각형성 부분(228)과 측방향으로 연장하는 벽(208) 사이에서 연장되는 일반적으로 수평 부분(232)을 갖는다. 부분(232)은 측면으로부터 볼 때(즉, 도 12 및 도 13에서 볼 때) 수평이다. 그러나, 부분(232)의 정면도(즉, 도 11에서 볼 때)로부터, 부분(232)은 그 측방향 중심의 양 측에서 약간 하향으로 경사지는데, 이는 따라서 부분(232)의 정점에 대응한다. 몇몇 실시예에서, 부분(232)의 측방향 중심의 양 측의 표면 사이의 각도(D)(도 11)는 180도 초과, 185도 미만이고, 몇몇 실시예에서는 182도 미만이다. 부분(232)은 부분(232)의 정면도로부터 볼 때(즉, 도 11에서 볼 때) 또한 평탄할 수 있는 것(즉, 각도(D)가 180도임)이 또한 고려된다. 도 11 및 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 윤활제 통로(210)의 출구(216)는 부분(232)의 정점과 측방향으로 정렬되고 출구(216)의 저부는 그에 인접한 레지(222)의 부분(232)의 상부와 수직으로 정렬된다. 부분(232)은 생략될 수 있고 각형성 부분(228)은 전방 에지(226)로부터 측방향으로 연장하는 벽(208)으로 연장될 수 있는 것이 고려된다.
측방향으로 연장하는 거터(gutter)(234)가 레지(222)의 각형성 부분(228)에 형성된다. 도 10에서 가장 양호하게 볼 수 있는 바와 같이, 거터(234)의 단부는 측벽(218)으로부터 이격되어 있다. 거터(234)는 레지(222)의 전방 에지(226)로부터 이격된다. 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이, 거터(234)는 레지(222)의 부분(232)보다 전방 에지(226)에 더 가깝다.
도 12를 참조하면, 윤활제 통로(210)의 입구는 자체적으로 윤활제 저장조(238)에 유체 연결되는 펌프(236)에 유체 연결된다. 윤활제 저장조(238)는 그 내부에 적층 윤활제를 보유한다. 윤활제 저장조(238)는 또한 전술된 적층 윤활제 분배 유닛(22)에 적층 윤활제를 공급하기 위해 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 펌프(236)는 윤활제 저장조(238)로부터 윤활제 통로(210) 내로 적층 유체를 펌핑한다. 윤활제 통로(210)의 출구(216)로부터, 윤활제는 레지의 부분(232)을 따라 전방 및 측방향으로(각도(D)로 인해) 유동한다. 윤활제는 이어서 각형성 부분(228)을 따라 아래로 유동한다. 윤활제의 일부는 거터(234) 내로 유동할 것인데, 이는 레지(222)의 폭을 가로지르는 윤활제의 균일한 분포를 보장하는 것을 돕는다. 윤활제는 이어서 전방 에지(226)로 유동하고, 여기서 작업 롤러(18a)의 적층 표면과 접촉하게 된다. 작업 롤러(18a)의 상향 이동 적층 표면은 시트(14)와 접촉하게 될 적층 표면을 효과적으로 코팅하는 윤활제를 픽업한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명의 기술의 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 합금 필름은 본 명세서에 정의된 바와 같은 압연기 및 작업 롤러를 사용하여 얻어진 적층 리튬 필름 또는 적층 리튬 합금 필름이다.
본 발명의 기술의 필름을 준비하는 데 사용될 수도 있는 리튬 합금은 리튬-실리콘, 리튬-알루미늄, 리튬-마그네슘, 리튬-스트론튬, 리튬-바륨 등을 포함하지만 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 기술의 리튬 또는 리튬 합금 필름은 소정량의 금속 원소를 포함한다. 리튬 또는 리튬 합금 필름으로의 금속 원소의 추가는 필름의 전체 두께를 감소시키고 그 전체 기계적 강도를 개선시키는 것을 허용한다. 몇몇 경우에, 금속 원소는 필름의 폭, 두께 및 길이 전체에 걸쳐 기계적 강도를 개선하는 양으로 리튬 또는 리튬 합금 필름 내에 존재한다.
본 발명의 기술의 리튬 또는 리튬 합금 필름의 준비에 사용될 수도 있는 금속 원소는 바람직하게는 전기 전도성이다. 금속 원소의 존재는 리튬 또는 리튬 합금 필름의 전기 전도성을 방해하지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 알루미늄은 리튬 또는 리튬 합금 필름에 사용될 수 있는 금속 원소이다. 몇몇 경우에, 알루미늄은 약 3000 ppm 내지 약 10000 ppm, 또는 약 3000 ppm 내지 약 9000 ppm, 또는 약 3000 ppm 내지 약 8000 ppm, 또는 약 3000 ppm 내지 약 7000 ppm, 또는 약 3000 ppm 내지 약 6000 ppm, 또는 약 3000 ppm 내지 약 5000 ppm의 범위의 양으로 필름 내에 존재한다. 몇몇 경우에, 알루미늄은 3000 ppm 이상의 양으로 필름 내에 존재한다.
몇몇 경우에, 본 발명의 기술의 리튬 또는 리튬 합금 필름은 약 50 내지 약 85, 또는 약 60 내지 약 80, 또는 약 60 내지 약 75, 또는 약 50 내지 약 70, 또는 약 60 내지 약 75, 또는 약 65 내지 약 75, 또는 약 66 내지 70, 또는 약 66 내지 69의 범위인 쇼어 경도계(쇼어 A 스케일)에 의해 측정된 바와 같은 경도를 갖는다. 몇몇 경우에, 경도는 적어도 65이다. 몇몇 다른 경우에, 경도는 적어도 약 66이다. 몇몇 경우에, 경도는 전체 리튬 또는 리튬 합금 필름 전체에 걸쳐 균일하다.
본 명세서에 정의된 기술에 의해 얻어진 리튬 필름은 약 140 mm 내지 약 200 mm, 또는 약 150 mm 내지 약 200 mm 범위, 약 160 mm 내지 약 180 mm, 또는 약 160 mm 내지 약 175 mm, 또는 약 160 mm 내지 약 170 mm, 또는 약 160 mm 내지 165 mm 범위인 폭(필름의 일 에지로부터 다른 에지까지의 거리에 대응함)을 갖고, 약 20 미크론 내지 약 100 미크론, 또는 20 미크론 내지 약 90 미크론, 또는 약 20 미크론 내지 약 75 미크론, 또는 약 20 미크론 내지 약 50 미크론, 또는 약 20 미크론 내지 30 미크론 범위인 두께를 갖는다. 리튬 또는 리튬 합금 필름의 두께는 필름의 전체 폭의 전체에 걸쳐 균일하다. 필름의 전체 폭의 전체에 걸쳐 균일한 두께는 약 +/-2 미크론의 두께의 편차를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 본 명세서에 정의된 기술에 의해 얻어진 리튬 또는 리튬 합금 필름은 약 1×10-4 내지 약 7×10-4인 두께 대 폭(t/w) 비를 갖는다. 몇몇 경우에는 이 t/w 비는 필름의 전체 길이의 전체에 걸쳐 유지된다.
특히, 본 발명의 기술은 연장된 필름 길이에 걸쳐서도 리튬 또는 리튬 합금 필름의 폭, 두께 및 경도를 유지하는 것을 허용한다. 예를 들어, 본 발명의 기술의 리튬 또는 리튬 합금 필름은 적어도 약 15000 미터에 걸쳐, 적어도 약 10000 미터에 걸쳐, 적어도 약 9000 미터에 걸쳐, 적어도 8000 미터에 걸쳐, 적어도 7000 미터에 걸쳐, 적어도 6000 미터에 걸쳐, 적어도 5000 미터에 걸쳐, 적어도 4000 미터에 걸쳐, 적어도 3000 미터에 걸쳐, 적어도 2000 미터에 걸쳐, 또는 적어도 1000 미터에 걸쳐 그 폭, 두께 및 경도를 유지한다.
예
이하의 예는 본 발명의 기술의 다양한 실시예의 실시를 예시하기 위해 제공된다. 이들은 본 발명의 기술의 전체 범주를 제한하거나 정의하도록 의도된 것이 아니다. 본 발명의 기술은 본 명세서에 설명되고 예시된 특정 실시예에 한정되지 않고 첨부된 실시예에 정의된 바와 같이 본 개시내용의 범주 내에 속하는 모든 수정 및 변형을 포함한다는 것이 이해되어야 한다.
예 1 - 적층 리튬 합금 필름(3000 ppm)의 제조
적층 리튬 필름이 본 명세서에 정의된 바와 같은 작업 롤러를 포함하는 압연기를 사용하여 제조되었다. 얻어진 리튬 필름은 170 mm의 폭, 60 미크론의 두께 및 3000 ppm의 알루미늄 함량을 가졌다. 필름의 경도가 쇼어 경도계(PTC 모델 320 - A 스케일)를 사용하여 평가되었다. 결과는 표 1에 제시되어 있다.
적층 LiAl 필름의 경도(3000 ppm Al)
샘플 경도(쇼어 A)
1 66
2 66
3 66
4 66
5 66
예 2 - 적층 리튬 합금 필름(5000 ppm)의 제조
적층 리튬 필름이 본 명세서에 정의된 바와 같은 작업 롤러를 포함하는 압연기를 사용하여 제조되었다. 얻어진 리튬 필름은 170 mm의 폭, 60 미크론의 두께 및 5000 ppm의 알루미늄 함량을 가졌다. 필름의 경도가 쇼어 경도계(PTC 모델 320 - A 스케일)를 사용하여 평가되었다. 결과는 표 2에 제시되어 있다.
LiAl 필름의 경도(5000 ppm Al)
샘플 경도(쇼어 A)
1 68
2 69
3 68
4 68
5 67
예 3 - 적층 리튬 합금 필름의 인장 강도 평가(3000 ppm)
적층 리튬-알루미늄 필름이 본 명세서에 정의된 바와 같은 작업 롤러를 포함하는 압연기를 사용하여 제조되었다. 리튬 필름은 170 mm의 폭, 60 미크론의 두께 및 3000 ppm의 알루미늄 함량을 가졌다. 리튬 필름의 인장 강도는 테스토메트릭(testometric) M500 25 kN을 사용하여 평가되었다. 결과는 표 3에 제시되어 있다.
10 mm/min에서 LiAl 필름(3000 ppm Al)의 인장 강도
샘플 UTS kgf/cm2 UTS mpa
1 20.23 1.98
2 19.56 1.91
3 19.57 1.91
4 21.08 2.06
5 19.98 1.96
예 4 - 적층 리튬 합금 필름의 인장 강도 평가(5000 ppm)
적층 리튬-알루미늄 필름이 본 명세서에 정의된 바와 같은 작업 롤러를 포함하는 압연기를 사용하여 제조되었다. 리튬 필름은 170 mm의 폭, 60 미크론의 두께 및 5000 ppm의 알루미늄 함량을 가졌다. 리튬 필름의 인장 강도는 테스토메트릭(testometric) M500 25 kN을 사용하여 평가되었다. 결과는 표 4에 제시되어 있다.
10 mm/min에서 LiAl 필름(5000 ppm Al)의 인장 강도
샘플 UTS kgf/cm2 UTS mpa
1 23.41 2.30
2 22.52 2.20
3 22.63 2.21
4 23.47 2.30
5 23.28 2.28
본 발명의 기술의 전술된 실시예에 대한 수정 및 개선은 통상의 기술자에게 명백할 수도 있다. 상기 설명은 한정적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명의 기술의 범주는 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 한정되도록 의도된다.

Claims (23)

  1. 알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 필름으로 적층하기 위한 압연기이며,
    프레임;
    프레임에 회전식으로 장착되는 제1 작업 롤러;
    프레임에 회전식으로 장착되는 제2 작업 롤러로서, 제1 및 제2 작업 롤러는 그 사이에 시트를 수용하도록 위치되는, 제2 작업 롤러;
    제1 작업 롤러를 굴곡하기 위해 제1 작업 롤러의 대향 단부들에 동작 가능하게 연결된 적어도 2개의 제1 액추에이터; 및
    제2 작업 롤러를 굴곡하기 위해 제2 작업 롤러의 대향 단부들에 동작 가능하게 연결된 적어도 2개의 제2 액추에이터를 포함하고,
    제1 및 제2 작업 롤러의 각각은:
    중심축을 정의하는 원통형 중심부로서, 중심부는 적층 표면을 형성하는 외부 표면을 갖는, 중심부;
    중심부의 제1 단부로부터 연장하는 제1 절두 원추형 부분; 및
    중심부의 제2 단부로부터 연장하는 제2 절두 원추형 부분을 포함하고,
    중심축이 직선일 때, 중심부의 외부 표면과 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 외부 표면 사이의 각도는 0.05도 미만이고,
    중심부의 폭은 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 폭보다 크고,
    중심부의 폭은 제1 및 제2 부분의 폭의 합보다 작은, 압연기.
  2. 제1항에 있어서, 각도는 0.03도 미만인, 압연기.
  3. 제2항에 있어서, 각도는 0.02도 미만인, 압연기.
  4. 제3항에 있어서, 각도는 0.01도 초과인, 압연기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해, 중심부, 제1 절두 원추형 부분 및 제2 절두 원추형 부분은 크롬 코팅을 갖는, 압연기.
  6. 제5항에 있어서, 크롬 코팅은 경질 크롬 코팅인, 압연기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해, 중심부, 제1 절두 원추형 부분 및 제2 절두 원추형 부분은 0.025 미크론 Ra 내지 0.5 미크론 Ra 범위의 표면 거칠기를 갖는, 압연기.
  8. 제7항에 있어서, 범위는 0.05 미크론 Ra 내지 0.3 미크론 Ra인, 압연기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해, 제1 및 제2 절두 원추형 부분은 중심부로부터 이격하여 연장됨에 따라 테이퍼지는, 압연기.
  10. 제9항에 있어서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해:
    제1 숄더가 중심부와 제1 절두 원추형 부분 사이에 형성되고;
    제2 숄더가 중심부와 제2 절두 원추형 부분 사이에 형성되는, 압연기.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 작업 롤러의 각각에 대해:
    제1 절두 원추형 부분은 제1 절두 원추형 부분이 그 외부 단부로부터 중심부를 향해 연장됨에 따라 테이퍼지고;
    제2 절두 원추형 부분은 제2 절두 원추형 부분이 그 외부 단부로부터 중심부를 향해 연장됨에 따라 테이퍼지는, 압연기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    프레임에 회전식으로 장착된 제1 백업 롤러로서, 제1 백업 롤러는 제1 작업 롤러 상에 압력을 인가하기 위해 제1 작업 롤러와 접촉되는, 제1 백업 롤러; 및
    프레임에 회전식으로 장착된 제2 백업 롤러로서, 제2 백업 롤러는 제2 작업 롤러 상에 압력을 인가하기 위해 제2 작업 롤러와 접촉되는, 제2 백업 롤러를 더 포함하는, 압연기.
  13. 알칼리 금속 또는 그 합금의 시트를 필름으로 적층하기 위한 압연기용 작업 롤러이며,
    중심축을 정의하는 원통형 중심부로서, 중심부는 적층 표면을 형성하는 외부 표면을 갖는, 중심부;
    중심부의 제1 단부로부터 연장하는 제1 절두 원추형 부분; 및
    중심부의 제2 단부로부터 연장하는 제2 절두 원추형 부분을 포함하고,
    중심축이 직선일 때, 중심부의 외부 표면과 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 외부 표면 사이의 각도는 0.05도 미만이고,
    중심부의 폭은 제1 및 제2 절두 원추형 부분 각각의 폭보다 크고,
    중심부의 폭은 제1 및 제2 부분의 폭의 합보다 작은, 작업 롤러.
  14. 제13항에 있어서, 각도는 0.03도 미만인, 작업 롤러.
  15. 제14항에 있어서, 각도는 0.02도 미만인, 작업 롤러.
  16. 제15항에 있어서, 각도는 0.01도 초과인, 작업 롤러.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 중심부, 제1 절두 원추형 부분 및 제2 절두 원추형 부분은 크롬 코팅을 갖는, 작업 롤러.
  18. 제17항에 있어서, 크롬 코팅은 경질 크롬 코팅인, 작업 롤러.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 중심부, 제1 절두 원추형 부분 및 제2 절두 원추형 부분은 0.025 미크론 Ra 내지 0.5 미크론 Ra 범위의 표면 거칠기를 갖는, 작업 롤러.
  20. 제19항에 있어서, 범위는 0.05 미크론 Ra 내지 0.3 미크론 Ra인, 작업 롤러.
  21. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 절두 원추형 부분은 중심부로부터 이격하여 연장됨에 따라 테이퍼지는, 작업 롤러.
  22. 제21항에 있어서,
    제1 숄더가 중심부와 제1 절두 원추형 부분 사이에 형성되고;
    제2 숄더가 중심부와 제2 절두 원추형 부분 사이에 형성되는, 작업 롤러.
  23. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 절두 원추형 부분은 제1 절두 원추형 부분이 그 외부 단부로부터 중심부를 향해 연장됨에 따라 테이퍼지고;
    제2 절두 원추형 부분은 제2 절두 원추형 부분이 그 외부 단부로부터 중심부를 향해 연장됨에 따라 테이퍼지는, 작업 롤러.
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