KR20220145029A - 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템으로서,
집전체상에 전극 활물질 슬러리가 도포된 예비 전극을 이송하는 이송 유닛,
상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 상기 예비 전극을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛, 및
상기 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정하여 시스템 제어부로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서, 및
센서로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부,
를 포함하고,
상기 건조 조건의 조절은,
하기 센서로부터 전달 받은 정보가 하기의 조건 1 또는 2를 만족할 때 그 조건을 변경시키는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템을 제공한다.
[조건 1]
Figure pat00008
,
여기서 T1은 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지는 동안 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이고, T2는 건조되는 예비 전극의 전극 온도이며, T3는 적용되는 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도에 대해 미리 입력된 값이고,
[조건 2]
Figure pat00009

여기서, 상기 α는 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도이고, 상기 β는 예비 전극의 전극 온도의 증가가속도이다.

Description

이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템{AUTOMATED SYTSTEM FOR DRYING CONDITIONS OF ELECTRODES FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템에 관한 것이다.
화석 연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지, 청정 에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기 화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라, 대기 오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 리튬 이차전지는 양극 또는 음극 활물질과, 바인더, 도전재를 슬러리의 형태로 집전체에 코팅 및 건조하여 전극 합제층을 형성시켜 양극과 음극을 제조하고, 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재시킨 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장시킴으로써 제조된다.
또한 이와 같이 제조된 리튬 이차전지의 성능은 상기 리튬 이차전지를 이루는 구성들에 의해 영향을 받고, 이 중 전극 성능은 전극 활물질 슬러리의 코팅 후 용매가 증발되는 건조공정의 건조 프로파일에 큰 영향을 받는다.
그러나, 종래에는 이러한 건조 프로파일은 건조가 완료된 후 제품의 물성 평가를 통해 최적화하여 적용하게 된다.
구체적으로, 상기 전극의 건조 중에 크랙, 열주름, 휨 갈라짐 등이 발생하게 되는데 이러한 불량은 건조 후에 전극 표면의 관찰을 통해 평가하며, 불량 발생시 라인을 멈추어 제품의 전량을 폐기하는 등으로 수행되어 손실이 매우 크다.
따라서, 이러한 손실을 방지하기 위해 건조 중 불량이 발생할 가능성을 사전 인지하여 실시간으로 건조공정을 제어하는 시스템 기술의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 건조 중 열주름의 발생 지표를 설정하고 이의 계산을 위해 전극온도의 측정을 수행하여 열주름 발생 가능성을 실시간으로 인지함으로써 건조 공정을 제어하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 기존 설비를 크게 개조하지 않고 건조 공정을 자동화 및 무인화 할 수 있으며, 이에 따라 제조되는 이차전지용 전극의 불량 발생을 획기적으로 감소시켜 이에 따른 손실을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템은,
집전체상에 전극 활물질 슬러리가 도포된 예비 전극을 이송하는 이송 유닛,
상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 상기 예비 전극을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛, 및
상기 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정하여 시스템 제어부로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서, 및
센서로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부,
를 포함하고,
상기 건조 조건의 조절은,
하기 센서로부터 전달 받은 정보가 하기의 조건 1 또는 2를 만족할 때 그 조건을 변경시키는 것을 특징으로 한다.
[조건 1]
Figure pat00001
,
여기서 T1은 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지는 동안 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이고, T2는 건조되는 예비 전극의 전극 온도이며, T3는 적용되는 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도에 대해 미리 입력된 값이고,
[조건 2]
Figure pat00002
여기서, 상기 α는 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도이고, 상기 β는 예비 전극의 전극 온도의 증가가속도이다.
이때, 상기 하나 이상의 센서와 하나 이상의 건조 유닛은 동일한 건조 오븐 내에 설치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 센서는 하나 이상의 건조 유닛과 교번 배열되어 있을 수 있다.
한편, 상기 하나 이상의 센서에서 수집한 정보는 모두 시스템 제어부로 전달되고, 시스템 제어부는 전달된 정보들을 모아 상기 조건들을 판단할 수 있다.
이때, 상기 시스템 제어부에는 상기 예비 전극 건조 시작 전에 전극 활물질 슬러리 정보, 상기 전극 활물질 슬러리에 대해 기존에 얻어진 T3값, 상기 조건 1 및 2, 건조 공정 조건이 입력되어 있고, 상기 시스템 제어부는 센서로부터 전달받은 정보가 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때 건조 조건을 변경하는 것일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 시스템 제어부는 센서로부터 전달 받은 정보로부터 예비 전극의 전극 온도, 전극 온도의 증가 속도, 전극 온도의 증가가속도를 그래프화하고, 그래프로부터 얻어지는 값이 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 조건을 변경하는 것일 수 있다.
상기 시스템 제어부는 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 온도를 낮추거나, 이송 유닛의 이송 속도를 빠르게 하거나, 건조를 더 이상 진행하지 않을 수 있다.
특히, 상기 건조 조건의 변경은, 조건 2를 만족할 때 수행될 수 있다.
한편 상기 하나 이상의 건조 유닛은 열풍을 발생시키는 열풍부이거나, 직접적으로 열을 가하는 방식의 가열부일 수 있고, 상기 하나 이상의 센서는 IR 센서일 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지용 전극 온도에 따른 열주름 발생 지표를 도출하고 실시간으로 전극 온도를 측정하여 건조 중 전극의 열주름 발생 가능성을 인지함으로써, 건조 공정을 실시간으로 제어할 수 있고, 이에 따라 전극 건조 공정의 자동화 및 무인화가 가능하며 전극 불량 생성을 거의 제거하여 생선성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 건조 공정 자동화 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 건조 공정 자동화 시스템의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실험예 1에 따른 건조 오븐 내 열주름 평가기구 사진이다.
도 4는 실험예 1에 따른 전극이 건조되는 시간에 따른 전극 온도의 측정 그래프이다.
도 5는 실험예 1에 따른 전극이 건조되는 시간에 따른 전극의 사진이다.
도 6은 실험예 1에 따른 건조 공정 중 100초 내지 180초 내의 전극 온도와, 전극 온도 증가속도, 전극 온도 증가가속도를 측정한 그래프이다.
도 7은 실험예 2에 따른 전극 건조 중 전극 온도, 전극 온도 증가속도, 전극 온도 증가가속도를 측정한 비교 그래프이다.
도 8은 실험예 2에 따른 건조가 완료된 전극의 호일면 사진이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참조하여, 본 발명의 전극 제조장치에 대해 구체적으로 설명한다. 그러나 하기 도면은 하나의 예시일 뿐, 본 발명은 본 발명의 범주 내에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 도면에 한정되지 않는다.
본 발명의 일실시예에 따르면,
이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템으로서,
집전체상에 전극 활물질 슬러리가 도포된 예비 전극을 이송하는 이송유닛,
상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 상기 예비 전극을 건조시키는 하나 이상의 건조 유닛, 및
상기 예비 전극의 전극 온도 및 집전체 이미지를 실시간으로 측정 및 촬영하여 시스템 제어부로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서, 및
센서로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부,
를 포함하고,
상기 건조 조건의 조절은,
하기 센서로부터 전달 받은 정보가 하기의 조건 1 또는 2를 만족할 때 그 조건을 변경시키는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템이 제공된다.
[조건 1]
Figure pat00003
,
여기서 T1은 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지는 동안 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이고, T2는 건조되는 예비 전극의 전극 온도이며, T3는 적용되는 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도에 대해 미리 입력된 값이고,
[조건 2]
Figure pat00004
여기서, 상기 α는 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도이고, 상기 β는 예비 전극의 전극 온도의 증가가속도이다.
상기 전극 온도는 센서에서 측정되는 전극 표면 온도이다.
즉, 본 발명에 따르면, 본원은 전극의 건조 과정에서 예비 전극의 전극 온도를 센서가 실시간으로 측정하여, 이를 시스템 제어부에 송달하고, 상기와 같은 특정한 조건을 만족하는 경우에 시스템 제어부가 건조 조건을 조절함으로써, 전극의 집전체의 열주름이 발생하지 않도록 하여 불량률을 낮출 수 있다.
이때, 상기 건조 조건을 조절하게 하는 특정 조건은, 상기와 같은 조건 1 또는 조건 2를 만조하는 경우이다.
먼저, 상기 조건 1을 검토하면, 집전체 열주름의 발생 조건은 전극 활물질 슬러리에 따라 달라질 수 있고, 따라서, 전극 활물질의 슬러리의 조성에 따른 열주름 발생 척도가 될 수 있는 기준이 필요하다.
따라서, 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도(T3)를 시스템 제어부에 입력해놓을 수 있고, 이에 따라, 한번 입력해놓는 경우, 이후의 과정에서는 이를 기반으로, 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정함으로써 상기 조건 1을 만족하는 경우에, 건조 조건 조절이 자동으로 수행될 수 있다.
이때, 상기 T1은 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도로서, 구체적으로 1초 이상 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이다. 이는 이후 설명할 전극 온도 그래프에서 평탄 구간에서의 전극 온도를 의미한다.
또한, 상기 조건 2는, 본 출원의 발명자들이 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 상기 전극 활물질 슬러리의 조성과 관계없이, 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정하고, 이러한 측정 값으로부터 상기 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도와 예비 전극의 전극 온도의 증가 가속도가 상기 범위를 만족하는 경우 상기 조건 2를 만족하는 경우 집전체에 열주름이 발생하는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 상기 시스템 제어부에 상기 조건 1의 값 및/또는 조건 2의 값을 입력하면, 이후 행해지는 전극 건조 과정에서의 예비 전극의 전극 온도 측정만으로 건조 조건을 자동적으로 조절할 수 있어, 무인화가 가능하며, 전극의 열주름 발생율을 획기적으로 감소시킬 수 있어, 경제적이다.
이러한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 건조 조건 자동화 시스템의 모식도를 도 1에 도시하였다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전극 건조 조건 자동화 시스템(1000)은, 전극 활물질 슬러리(111)가 집전체(112) 상에 도포된 예비 전극(110)을 전극 롤(120)로부터 건조 유닛(140)으로 이송하는 이송 유닛(130), 상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 예비 전극(110)을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛(140), 및 예비 전극(110)의 전극 온도를 실시간으로 측정 및 촬영하여 시스템 제어부(160)로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서(150), 및 센서(150)로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부(160)를 포함한다.
예비 전극(110)은 구체적으로, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 및 선택적으로기타 첨가제들을 포함하는 전극 활물질 슬러리(111)가 집전체(112) 상에 도포된 구조일 수 있으며, 전극 활물질 슬러리(111)는 건조 전으로 용매를 포함하는 형태이다.
상기 전극 활물질은 예비 전극이 양극 또는 음극인지에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 이러한 전극 활물질의 구체적인 예들은 당업계에 공지되어 있으며, 어떤 종류의 활물질도 선택 가능하므로, 본원에서는 구체적인 설명을 생략한다.
상기 바인더, 및 도전재 역시 상기 전극 활물질과 마찬가지로, 구체적인 예들은 당업계에 공지되어 있으며, 어떤 종류의 활물질도 선택 가능하므로, 본원에서는 구체적인 설명을 생략한다.
한편, 상기 집전체 역시 상기 예비 전극이 양극 또는 음극인지에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄, 또는 구리 등의 금속 시트, 메시, 필름, 호일 등이 사용될 수 있으며, 당업계에 구체적인 예들이 공지되어 있으므로, 본 발명에서 구체적인 설명은 생략한다.
이러한 예비 전극(110)에는 용매를 증발시키기 위한 건조 공정을 위해 건조 유닛(140)으로 이송되고, 이러한 이송은 이송 유닛(130)에 의해 수행된다.
이송 유닛(130)은 한정되지 아니하나, 예를 들어, 이송 롤일 수 있다.
한편, 예비 전극(110)은 이송 유닛(130)에 의해 건조 유닛(140)으로 이송된다. 이때, 건조 유닛(140)은 이송방향을 따라 4개가 배열되어 있으며, 예비 전극(110)이 이송 유닛(130)에 의해 이송되는 동안 예비 전극(110)을 건조시키는 역할을 수행한다.
건조 유닛(140)의 개수는 하나의 예일 뿐 개수는 하나 이상이면 한정되지 아니하고, 둘 이상인 것이 바람직하다.
또한, 건조 유닛(140)이 여러 개인 경우, 건조 유닛(140)은 동일한 건조 오븐(170) 내에 설치되어 있을 수 있다.
여기서, 건조 유닛(130)은 예비 전극(110)을 건조시킬 수 있는 형태라면 한정되지 아니하나, 예를 들어, 열풍을 발생시키는 열풍부이거나, 직접적으로 열을 가하는 방식의 가열부일 수 있다.
이러한 건조 유닛(140)에 의한 건조 시간은 이송 유닛(130)의 이송 속도에 영향을 받으며, 건조 온도, 이송 유닛(130)의 이송 속도 등의 건조 조건은 이후 설명할 시스템 제어부(160)에 의해 조절된다.
한편, 예비 전극(110)이 건조되는 동안 예비 전극(110)의 전극 온도를 실시간으로 측정하기 위해, 본 발명에 따른 전극 건조 조건 자동화 시스템(1000)은 예비 전극(110)의 전극 온도를 실시간으로 측정하여 시스템 제어부(160)로 정보를 전달하는 센서(150)를 포함한다.
이때, 3개의 센서(150)는 건조 유닛(140)들 사이에 위치하는 형태로 교번 배열되어 있다.
즉, 센서(150)는 이송되는 예비 전극(110)의 전극 온도를 실시간으로 측정하기 위해 상기 건조 공정 내 곳곳에 위치하는 것이 바람직한 바, 예비 전극(110)의 이송방향으로 배열되어 있을 수 있다.
따라서, 센서(150) 역시 건조 유닛(140)과 동일한 건조 오븐(170) 내에 설치되어 있을 수 있다.
이러한 센서(150)는 예비 전극(110)의 전극 온도를 측정할 수 있는 구조라면 한정되지 아니하고, 예를 들어 비접촉식 열감지 센서일 수 있으며, 상세하게는 IR 센서일 수 있다.
한편, 센서(150)에 의해 수집된 정보는 모도 시스템 제어부(160)로 전달되고, 시스템 제어부(160)는 이러한 전달된 정보들을 분석, 계산, 평가하여, 상기 조건들의 만족여부를 판단한 후, 건조 조건의 조절 여부, 방향 등을 결정한다.
구체적으로, 센서에 의해 수집된 정보는 정보 수집부(161)로 전달되고, 이러한 정보에 대한 분석이 완료되면, 이러한 분석에 맞춰 건조 조건 조절부(162)가 건조 조건의 조절을 수행한다.
즉, 시스템 제어부(160)가 작업자가 할 역할을 대신 수행하며, 건조 조건 조절 자동화 시스템을 가능하게 한다.
이러한 시스템 제어부가 하는 역할을 더욱 구체적으로 설명하기 위해 본 발명의 전극 건조 조건 조절 자동화 시스템의 흐름도를 도 2에 모식적으로 도시하였다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 먼저, 시스템 제어부(160)에 상기 예비 전극(110) 건조 시작 전에 전극 활물질 슬러리(111)의 정보를 입력하고(S10), 전극 활물질 슬러리(111)에 대해 기존에 얻어진 T3값, 상기 조건 1 및 2을 입력한 후(S20), 건조 공정 조건을 입력하여 예비 전극(110)의 전극 건조를 수행한다(S30).
예비 전극(110)의 전극 건조 공정 중 하나 이상의 센서(150)가 전극 온도를 실시간으로 측정하고(S40), 이로부터 수집한 정보를 모두 시스템 제어부(160)로 전달한다(S50).
이후, 시스템 제어부(160)는 전달된 정보들을 모아 상기 조건 1 및 2를 만족하는지 여부를 판단하고(S60), 상기 조건 1 및 2 중 어느 하나 이상을 만족하는 경우에 전극 건조 공정 조건을 변경하고(S70), 그렇지 않은 경우에 전극 건조 오븐(170)의 운전 상태를 유지한다(S80).
구체적으로, 상기 시스템 제어부(160)는 센서(150)로부터 전달 받은 정보로부터 예비 전극(110)의 전극 온도, 전극 온도의 증가 속도, 전극 온도의 증가가속도를 그래프화하고, 그래프로부터 얻어지는 값이 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 조건을 변경할 수 있다.
여기서, 건조 조건의 변경은, 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 시스템 제어부(160)는 건조 온도를 낮추거나, 이송 유닛의 이송 속도를 빠르게 하거나, 건조를 더 이상 진행하지 않게 할 수 있다.
특히, 상기 건조 조건의 변경은 조건 2를 만족할 때 수행될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해하기 위해 본 발명에 따른 실험예를 바탕으로, 본 발명에 따른 전극 건조 조건 자동화 시스템에 따라 조건 1 및 2를 판단하는 방법, 및 건조 조건을 자동적으로 수행하는 경우에 열주름을 방지하는 효과에 대해 상세히 설명한다.
<실험예 1>
예비 전극의 제조
전극 활물질로서 그라파이트(graphite), 도전재로 카본 블랙, 및 바인더로 Carboxy methyl cellulose(CMC), Styren-butadien rubber(SBR)를 각각 사용하고, 전극 활물질: 도전재: CMC: SBR의 중량비를 96:1:1:2로 하여 혼합한 혼합물에, 용제인 물에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조(고형분 47%)하고, 이를 구리호일(두께: 8~12㎛)에 도포(200 ㎛)하여 예비 전극(110)을 제조하였다.
건조 시간 및 온도에 따른 열주름 판단
상기 예비 전극(110)을 하기 도 3의 텐션조절봉(210) 사이에 개재하고 건조 오븐 내에 설치하였다. 상기 오븐 내에는 IR 센서(220)가 예비 전극(110)이 장착되는 상부에 설치되어 있으며, 알루미늄 호일에 발생할 열주름을 판단하기 위해, 예비 전극(110)이 장착되는 하부에는 거울(230)이 설치되어 있다. 거울(230)에 비친 알루미늄 호일의 이미지로부터 열주름 발생 여부를 판단할 수 있다.
이와 같은 장치로부터 상기 오븐의 건조 온도를 115℃, 1℃/초로 설정하고, 건조를 수행하면서, IR센서(220)로부터 건조시간과 전극온도에 따른 그래프를 수득하고, 거울(230)로부터 얻어지는 알루미늄 호일의 이미지를 촬영하여 그 결과를 도 4 및 도 5에 도시하였고, 상기 도 4의 결과로부터 건조시간 100초 내지 180초 구간의 전극 온도와, 115℃, 1℃/초로 설정하고, 건조를 수행 를 얻어 도 6에 도시하였다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 예비 전극의 전극 온도는 건조 시간에 따라 승온 속도와 비슷하게 서서히 증가하다가, 어느 순간, 그래프 상에서는 약 80℃ 부근에서 오븐의 온도 상승에도 불구하고 전극 온도는 평탄 구간을 나타낸다. 이는, 상기 온도에서 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지면서 온도 증가가 이루어지지 않는 것이며, 평탄 구간의 끝부분인 131초가 지나면서 건조 스트레스로 인해 알루미늄 호일의 변형이 나타나기 시작하는 것을 알 수 있으며, 141초가 지나면서 건조가 완료되고, 다시 전극 온도가 오븐의 온도에 따라 급격히 증가하는 모습을 나타낸다. 이때, 알루미늄 호일은 열팽창이 이루어지다가 150초가 넘어가면서 열주름이 나타나는 것을 알 수 있다.
이러한 실험으로부터 상기 전극 활물질 슬러리의 조성의 경우에 조건 1의 값을 설정할 수 있다.
구체적으로, 상기 전극 활물질 슬러리 조성의 경우, T3는 95℃이며, T1은 전극 온도의 변화가 없을 때인 80℃가 되므로, t값이 15℃로 정해진다.
따라서, 이후 상기 조성의 전극 활물질 슬러리를 건조시키는 경우, △T = T2-T1가 15℃에 도달할 때, 시스템 제어부는 건조 조건을 변경시키게 된다.
하나의 예로서, 하나의 전극 활물질 슬러리를 개시하였으나, 이러한 방법은 다양한 조성의 전극 활물질 슬러리에 대해서도 동일한 방법으로 t 값을 수득할 수 있고, 이후 동일한 조성의 전극 활물질 슬러리를 건조하는 경우에는, 전극 온도 값을 측정하는 것만으로도 상기 조건 1을 만족할 때 건조 조건을 자동적으로 변경시킬 수 있다.
한편, 본 출원의 발명자들은, 상기 조건 1은 전극 활물질 슬러리마다 그 값이 달라지며, 열주름 발생 시작과 동시에 건조 조건이 변경되어 예방 차원에서 건조 조건을 변경시키지 못할 수 있으므로, 상기와 같은 실험을 다양한 전극 활물질 슬러리에 적용함에 따라, 전극 온도가 아닌, 전극 온도 증가속도(α), 전극 온도 증가가속도(β) 그래프로부터 열주름이 발생하는 좀더 표준적인 지표를 얻을 수 있었다.
구체적으로, 도 6을 참조하면, 상기 도 4의 그래프를 바탕으로, 건조 시간 100초부터 180초 사이의 전극 온도와 더불어 전극 온도 증가속도(α), 전극 온도 증가가속도(β) 그래프를 얻었다.
전극 온도 그래프에서 열주름이 발생하는 지점은 약 150℃인 것을 알 수 있으며, 한편,
Figure pat00005
인 지점은 용매 증발이 완전히 이루어져 건조가 완료되었으면서(141℃ 이후) 열주름은 발생하기 전(150℃ 이전)에 나타남을 확인하고, 상기와 같은 조건을 만족할 때, 건조 조건을 변경하는 경우, 더욱 바람직하게 열주름 발생을 방지하여, 전극 불량을 억제하고 생산성을 현저히 향상시킴과 동시에 예비 전극의 건조 공정을 자동화 및 무인화할 수 있음을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 조건 2를 만족할 때, 건조 조건을 변경시키는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 이러한 조건은 전극 활물질 슬러리의 조성에 따라 영향을 받지 않고, 열주름이 발생하기 전에 예비 전극의 건조 조건을 조절할 수 있음을 확인하였다.
<실험예 2>
상기 실험예 1에서 제조된 예비 전극을 115℃, 1℃/초로 설정한 오븐 내에서 건조를 수행하면서 센서로부터 얻어진 정보를 바탕으로 상기 조건 1 또는 2를 만족하는 경우에 건조를 더 이상 진행하지 않도록 오븐의 전원이 꺼지게 만든 전극 A와 이러한 조건 설정을 수행하지 않고 건조 조건이 계속하여 유지되도록 한 전극 B에 대해 얻어지는 전극 온도, 전극 온도 증가속도(α), 전극 온도 증가가속도(β)의 비교그래프를 도 7에 도시하였고, 건조가 완료된 후(165초) 알루미늄 호일 면의 사진을 찍어 도 8에 도시하였다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따라 건조 조건을 변경한 전극 A의 경우, 열주름이 발생하는 150초 전에 전극 온도가 하강하면서 전극 온도 증가속도(α)가 0 미만으로 유지되는 반면, 전극 B의 경우, 계속하여 전극 온도가 증가하고, 이에 따라 전극 온도 증가속도(α) 역시 0을 초과하는 양상을 나타낸 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 상기와 같은 결과에 따라 전극 A의 경우 거의 열주름이 발생하지 않은 반면, 전극 B의 경우 전체적으로 열주름이 발생한 것을 확인할 수 있다.
1000: 건조 조건 자동화 시스템
110: 예비 전극
120: 전극 롤
130: 이송 유닛
140: 건조 유닛
150: 센서
160: 시스템 제어부
170: 건조 오븐
200: 열주름 평가기구
210: 텐션조절봉
220: IR 센서
230: 거울

Claims (10)

  1. 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템으로서,
    집전체상에 전극 활물질 슬러리가 도포된 예비 전극을 이송하는 이송 유닛,
    상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 상기 예비 전극을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛, 및
    상기 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정하여 시스템 제어부로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서, 및
    센서로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부,
    를 포함하고,
    상기 건조 조건의 조절은,
    하기 센서로부터 전달 받은 정보가 하기의 조건 1 또는 2를 만족할 때 그 조건을 변경시키는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템:
    [조건 1]
    Figure pat00006
    ,
    여기서 T1은 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지는 동안 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이고, T2는 건조되는 예비 전극의 전극 온도이며, T3는 적용되는 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도에 대해 미리 입력된 값이고,
    [조건 2]
    Figure pat00007

    여기서, 상기 α는 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도이고, 상기 β는 예비 전극의 전극 온도의 증가가속도이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서와 하나 이상의 건조 유닛은 동일한 건조 오븐 내에 설치되어 있는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 하나 이상의 건조 유닛과 교번 배열되어 있는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서에서 수집한 정보는 모두 시스템 제어부로 전달되고, 시스템 제어부는 전달된 정보들을 모아 상기 조건들을 판단하는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어부에는 상기 예비 전극 건조 시작 전에 전극 활물질 슬러리 정보, 상기 전극 활물질 슬러리에 대해 기존에 얻어진 T3값, 상기 조건 1 및 2, 건조 공정 조건이 입력되어 있고, 상기 시스템 제어부는 센서로부터 전달받은 정보가 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때 건조 조건을 변경하는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 온도를 낮추거나, 이송 유닛의 이송 속도를 빠르게 하거나, 건조를 더 이상 진행하지 않는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 센서로부터 전달 받은 정보로부터 예비 전극의 전극 온도, 전극 온도의 증가 속도, 전극 온도의 증가가속도를 그래프화하고, 그래프로부터 얻어지는 값이 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 조건을 변경하는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 건조 조건의 변경은 조건 2를 만족할 때 수행되는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 건조 유닛은 열풍을 발생시키는 열풍부이거나, 직접적으로 열을 가하는 방식의 가열부인 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 IR 센서인 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007227831A (ja) * 2006-02-27 2007-09-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電気化学素子用電極体の製造方法およびこれを用いた電気化学素子用電極体の製造装置
JP2008103098A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液二次電池用電極板の製造方法およびその製造装置
JP5691985B2 (ja) * 2011-10-06 2015-04-01 トヨタ自動車株式会社 電池用電極の製造方法
JP5929190B2 (ja) * 2011-12-28 2016-06-01 日産自動車株式会社 電極乾燥方法および電極乾燥装置
JP6213021B2 (ja) * 2013-08-02 2017-10-18 日産自動車株式会社 電極製造方法および電極製造装置
KR20180125721A (ko) * 2017-05-16 2018-11-26 주식회사 엘지화학 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템

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