KR20230044783A - 전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법 - Google Patents

전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230044783A
KR20230044783A KR1020210127327A KR20210127327A KR20230044783A KR 20230044783 A KR20230044783 A KR 20230044783A KR 1020210127327 A KR1020210127327 A KR 1020210127327A KR 20210127327 A KR20210127327 A KR 20210127327A KR 20230044783 A KR20230044783 A KR 20230044783A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
current collector
static electricity
friction member
electrode slurry
Prior art date
Application number
KR1020210127327A
Other languages
English (en)
Inventor
이수민
오상승
박규태
장수지
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to KR1020210127327A priority Critical patent/KR20230044783A/ko
Priority to CN202280008203.8A priority patent/CN116745938A/zh
Priority to JP2023536177A priority patent/JP2023554365A/ja
Priority to EP22873124.6A priority patent/EP4246603A4/en
Priority to US18/266,724 priority patent/US20240047636A1/en
Priority to PCT/KR2022/013097 priority patent/WO2023048419A1/ko
Publication of KR20230044783A publication Critical patent/KR20230044783A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C9/00—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important
    • B05C9/08—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important for applying liquid or other fluent material and performing an auxiliary operation
    • B05C9/12—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important for applying liquid or other fluent material and performing an auxiliary operation the auxiliary operation being performed after the application
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/007—Processes for applying liquids or other fluent materials using an electrostatic field
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/14—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by electrical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/14—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to metal, e.g. car bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471—Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C5/00—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C9/00—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important
    • B05C9/08—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important for applying liquid or other fluent material and performing an auxiliary operation
    • B05C9/14—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important for applying liquid or other fluent material and performing an auxiliary operation the auxiliary operation involving heating or cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/26—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by applying the liquid or other fluent material from an outlet device in contact with, or almost in contact with, the surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D2202/00—Metallic substrate
    • B05D2202/40—Metallic substrate based on other transition elements
    • B05D2202/45—Metallic substrate based on other transition elements based on Cu
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D2252/00—Sheets
    • B05D2252/02—Sheets of indefinite length
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/007—After-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/02—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by baking
    • B05D3/0254—After-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/12—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by mechanical means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

본 발명은 전극 건조장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법에 관한 것으로, 상기 전극 건조장치는 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 전극 슬러리에 바인더로서 함유된 이온성 바인더가 갖는 전하와 반대의 전하를 갖도로 정전기를 유도함으로써, 전극 슬러리의 건조 공정 시 용매의 휘발이 발생하더라도 바인더가 전극 슬러리의 표면으로 이동하는 것을 방지할 수 있으므로, 전극 슬러리가 건조되어 형성되는 전극 합재층과 전극 집전체의 접착력을 개선하는 효과가 우수한 이점이 있다.

Description

전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법{APPARATUS FOR COATING ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD OF ELECTRODE USING THE SAME}
본 발명은 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 코팅하는 장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법에 관한 것이다.
리튬 이차전지의 전극은 이러한 활물질과 바인더(binder) 수지 성분을 혼합하여 용매에 분산시켜 슬러리(slurry)를 만들고, 이를 집전체 표면에 도포하여 건조 후 합재층을 형성시켜 제작된다.
이러한 리튬 이차전지의 보다 높은 에너지 밀도를 달성하기 위해서는 고용량의 활물질을 이용하여 전극에 로딩(loading)되는 활물질의 로딩이 높아짐에 따라 활물질과 전극간의 접착력이 떨어지게 되거나, 음극 활물질 상호간 접촉 계면의 변화에 따른 저항 증가로 인해, 충방전 사이클이 진행됨에 따라 용량이 급격하게 저하되어 사이클 수명이 짧아지는 문제점을 가지고 있다.
일반적으로 바인더로 고분자 바인더가 널리 사용되고 있으며, 이러한 고분자 바인더의 양을 늘려 활물질간 뿐만 아니라 활물질과 집전체 사이의 결착력을 높이고, 집전체로부터 활물질의 탈리를 감소시키며, 전지의 충방전에 따른 부피 팽창을 억제의 효과를 높일 수 있으나, 과량의 고분자를 바인더를 사용하게 되면 바인더의 전기절연성에 의해 음극의 전기 저항이 높아지고, 상대적으로 활물질의 양이 감소함으로 인해 용량 감소 등의 문제점이 대두되고 있다.
또한, 건조 공정에서 슬러리 내의 용매가 휘발되면서 슬러리 내부에 균일하게 분산되어 있던 바인더가 슬러리 표면으로 올라와 집중되는 현상이 유도되므로, 이로 인해 전극 내의 고른 화학 반응을 유도하기 어렵고, 바인더의 길이가 길어질수록 바인더끼리 따로 뭉쳐지는 경향이 높아지며, 경시성에도 영향을 미치는 문제가 있다.
따라서, 적은 양으로도 강한 접착력으로 전극 제조 시 전극 활물질간 또는 전극 활물질과 집전체 사이의 분리를 방지하고, 강한 물성으로 반복되는 충방전 시 발생되는 전극 활물질의 부피 팽창을 제어하여 전극의 구조적 안정성 및 이로 인한 전지의 성능 향상을 도모할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0014629호
이에, 본 발명의 목적은 전극 슬러리 건조 공정에서도 슬러리 내에 함유된 바인더가 표면으로 올라와 집중되는 현상을 방지하여 전극의 합재층과 전극 집전체 간의 접착력을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
롤투롤 방식으로 전극 집전체를 이동시키는 이송부;
상기 이송부에 의해 이동하는 전극 집전체의 표면에 전극 슬러리를 토출하는 코터; 및
상기 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 정전기 유도부를 포함하는 전극 코팅장치를 제공한다.
여기서, 상기 정전기 유도부는 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면과 정전기유도 물질을 접촉시켜 접촉 대전에 의해 정전기를 유도하거나, 또는 마찰 부재의 마찰 대전에 의해 형성된 전하를 이용함으로써 정전기를 유도할 수 있다.
하나의 예로서, 정전기 유도부는 표면에 정전기 유도 물질이 코팅된 대전 영역을 포함하는 롤러를 포함하고, 상기 롤러의 정전기 유도 물질과 전극 집전체의 접촉에 의해 정전기가 유도될 수 있다.
이 경우, 상기 정전기 유도 물질은 에보나이트, 유리, 나일론, 울, 레이온, 양모, 실크, 명주, 종이, 철, 고무, 구리, 은, 금, 백금, 폴리스티렌, 아크릴, 셀룰로이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리프로필렌 폴리에틸렌, 실리콘 또는 테프론을 포함할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 정전기 유도부는,
모터와, 상기 모터의 모터축과 축 결합되며, 외주면에 기어가 형성된 동력 전달축으로 구성된 모터부;
상기 동력전달축과 기어결합되어 동력전달축의 회전에 의해 회전하도록 외주면에 기어가 형성된 원형의 회전마찰부재와 상기 회전마찰부재의 외주면 일측에 접촉되게 설치된 고정마찰부재와, 상기 회전마찰부재와 일정거리 이격되고 상기 회전마찰부재를 중심으로 상기 고정마찰부재와 대칭되는 위치에 설치되는 호형의 정전기 유도부재와, 상기 정전기유도부재의 일측에 설치된 정전기 유도선으로 구성된 정전기 발생부; 및
상기 정전기 유도선에 의해 정전기 유도부재와 연결되어 표면에 전하를 띠고, 전극 집전체의 이면과 대면하도록 마련되는 정전기판을 포함하고, 상기 회전마찰부재에 의해 유도된 전하가 전극 집전체의 이면에 근접시킴으로써 정전기를 유도할 수 있다.
이때, 상기 회전마찰부재는 외주면의 상부 또는 하부에 기어가 형성되고, 기어가 형성되지 않은 외주면에는 상기 고정마찰부재가 면 접촉하는 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 전극 집전체의 표면에 도포되는 전극 슬러리는 이온성 바인더를 함유할 수 있고, 상기 정전기 유도부는 전극 집전체 표면에 도포된 전극 슬러리의 이온성 바인더와 반대 전하를 전극 집전체 이면에 유도할 수 있다.
이때, 상기 이온성 바인더는 셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오즈, 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 스티렌부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴부타디엔 고무, 아크릴 고무, 부틸 고무, 플루오르 고무, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 글리콜 및 알지네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 중합체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이송부는 20 내지 100 m/min의 속도로 운행될 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
전극 집전체의 일면에 전극 슬러리를 도포하는 단계; 및
전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 전극 슬러리는 이온성 바인더를 함유하고, 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 유도되는 정전기는 상기 이온성 바인더와 반대 저하를 가질 수 있다.
또한, 상기 이온성 바인더는 셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴로니트릴(PAN: polyacrylonitrile), 폴리아크릴 아미드(PAM: polyacryl amide), 스티렌부타디엔 고무(SBR: styrene butadiene rubber), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(acrylonitrile butadiene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 부틸 고무(butyl rubber), 플루오르 고무(fluoro rubber), 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌 글리콜(PEG: polyethylene glycol) 및 알지네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 중합체를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 단계는 전극 집전체의 이면과 정전기 유도 물질과의 접촉 대전에 의해 수행되거나; 또는 마찰 부재의 마찰 대전에 의해 수행될 수 있다.
또한, 상기 정전기를 유도하는 단계 이후에, 전극 집전체의 일면에 도포된 전극 슬러리를 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 전극 슬러리를 건조시키는 단계는 50℃ 내지 200℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 코팅장치는 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 전극 슬러리에 바인더로서 함유된 이온성 바인더가 갖는 전하와 반대의 전하를 갖도록 정전기를 유도함으로써, 전극 슬러리의 건조 공정 시 용매의 휘발이 발생하더라도 바인더가 전극 슬러리의 표면으로 이동하는 것을 방지할 수 있으므로, 전극 슬러리가 건조되어 형성되는 전극 합재층과 전극 집전체의 접착력을 개선하는 효과가 우수한 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전극 코팅장치의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 정전기 유도부의 일례를 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 정전기 유도부의 다른 일례를 나타낸 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 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, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 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 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
전극 제조용 코팅장치
본 발명은 일실시예에서,
롤투롤 방식의 공급 공정을 통해 전극 집전체를 주행방향으로 이동시키는 이송부;
상기 이동 유닛의 상부에 위치하여, 이동 유닛에 의해 이동하는 전극 집전체의 표면에 전극 슬러리를 토출하는 코터; 및
상기 이동 유닛의 하부에 배치되어, 상기 코터에 의해 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 정전기 유도부를 포함하는 전극 제조용 코팅장치를 제공한다.
본 발명에 따른 전극 제조용 코팅장치는 도 1에 나타낸 바와 같이, 전극 집전체를 이동시키는 이송부(11 및 12), 전극 집전체 표면에 전극 슬러리를 공급하는 코터(20), 및 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체 이면에 정전기를 유도하는 정전기 유도부(30)를 포함한다.
이때, 상기 이송부(11 및 12)는 당업계에서 통상적으로 적용되는 방식에 의해 전극 조립체를 주행시킬 수 있으나, 구체적으로는 롤투롤 방식으로 전극 집전체의 주행 방향의 전방과 후방에 배치되는 한 쌍의 롤러(11 및 12)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이송부(11 및 12)는 전극 조립체의 표면에 전극 슬러리가 일정하게 도포될 수 있는 속도로 운행될 수 있으나, 구체적으로는 20 내지 100 m/min의 속도로 운행될 수 있고, 보다 구체적으로는 30 내지 90 m/min; 40 내지 90 m/min; 50 내지 100 m/min; 70 내지 100 m/min; 20 내지 80 m/min; 20 내지 60 m/min; 20 내지 40 m/min; 40 내지 80 m/min; 또는 25 내지 70 m/min의 속도로 운행될 수 있다. 본 발명은 이송부(11 및 12)의 운행 속도를 상기와 같이 제어함으로써 전극 조립체의 표면에 전극 슬러리를 일정한 두께로 도포할 수 있을 뿐만 아니라, 정전기 유도부가 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는데 요구되는 시간을 제공할 수 있다.
아울러, 상기 코터(20)는 이동하는 전극 집전체의 표면에 전극 슬러리를 공급하는 유닛으로서, 당업계에서 통상적으로 적용되는 방식으로 적용될 수 있으나, 구체적으로는 슬롯 다이 코터를 포함할 수 있다.
상기 슬롯 다이 코터는 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 도포하여 전극 합재층을 형성하는데, 상부 다이와 하부 다이에 형성되는 한쌍의 토출구를 통해 전극 슬러리를 토출하는 구조를 가질 수 있으며, 이로써 전극 집전체 상에 2층의 전극 합재층을 형성할 수 있다.
아울러, 상기 정전기 유도부(30)는 이송부에 의해 이동하는 전극 집전체에 하부에 위치하여, 코터(20)에 의해 전극 슬러리가 토출되고, 토출된 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도한다.
여기서, 상기 정전기 유도부(30)는 전극 집전체의 표면에 도포된 전극 슬러리는 전하를 갖는 이온성 바인더를 함유하고, 상기 정전기 유도부(30)는 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 이온성 바인더의 전하와 반대되는 전하로 대전되도록 정전기를 유도할 수 있다.
즉, 정전기 유도기는 (+) 전하를 나타내는 이온성 바인더를 함유하는 전극 슬러리를 전극 집전체에 도포하는 경우, 정전기 유도기는 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 (-) 전하를 유도할 수 있고; 또는 (-) 전하를 나타내는 이온성 바인더를 함유하는 전극 슬러리를 전극 집전체에 도포하는 경우, 정전기 유도기는 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 (+) 전하를 유도할 수 있다.
상기 이온성 바인더는 전하는 갖는 것이라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 전극 활물질들과의 접합력 및 합재층 내부에서의 전기적 물성을 고려하여, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴로니트릴(PAN: polyacrylonitrile), 폴리아크릴 아미드(PAM: polyacryl amide), 스티렌부타디엔 고무(SBR: styrene butadiene rubber), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(acrylonitrile butadiene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 부틸 고무(butyl rubber), 플루오르 고무(fluoro rubber), 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌 글리콜(PEG: polyethylene glycol) 및 알지네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 중합체를 포함할 수 있다. 상기 중합체들은 카르복실기(-COOH)나 설폰기(-SOOOH) 등을 포함하여 일부가 Na+나 Li+ 등의 알칼리 금속 이온 등과 염의 형태를 가짐으로써 (-) 전하를 가질 수 있다.
또한, 상기 정전기 유도부(30)는 전극 집전체의 표면을 대전시켜 정전기를 유도할 수 있다면 그 형태나 구동 방식이 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 이동하는 전극 집전체와 직접적으로 마찰하여 접촉 대전을 유도하는 구조를 갖거나 별도의 마찰부재를 구비하여 마찰 대전을 유도하는 구조를 가질 수 있다.
물질은 원자핵과 전자로 구성되며, 중성을 유지하기 위해서는 전자와 핵의 수가 같아야 한다. 그러나, 전자(특히, 핵에서 가장 먼 궤도에 있는 전자)가 상대적으로 자유롭게 움직이므로, 두 물질이 접촉하면 한 물질은 전자를 받아 음전하를 띠고 다른 물질은 전자를 잃고 양전하를 띤다. 이때, 접촉 압력이 강하고, 전자의 박리율(접촉 속도)이 높을수록 대전량이 많아진다.
이러한 현상들을 이용하여 물질의 표면에 전하를 부여하는 대전 방식에는 접촉 대전, 마찰 대전, 박리 대전 등이 있다. 이 중, "접촉 대전"은 서로 다른 두 물체가 접촉하여 분리될 때 발생한다. 서로 다른 물체가 접촉하면 각 물체에서 전하 이동이 일어나 전기 이중층을 형성하고 전하 분리에 의해 정전기가 발생한다. 또한, 동일한 종류의 물체라도 부식, 평활성 등의 표면 상태에 따라 접촉 대전이 발생할 수 있는데, 이러한 대전 방식 중 하나가 "마찰 대전"이다. "마찰 대전"이란 물체가 마찰을 일으키거나 마찰에 의해 접점이 움직여 전하가 분리될 때 정전기가 발생하는 현상을 말한다.
본 발명의 정전기 유도부(30)는 이러한 접촉 대전과 마찰 대전을 이용하여 이동하는 전극 집전체의 표면에 전하를 부여할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 정전기 유도부는 도 2에 나타낸 바와 같이 접촉 대전의 방식을 적용하여 전극 슬러리(S)가 표면에 도포된 전극 집전체(F)의 이면과 맞닿는 롤러(30)를 포함하되, 상기 롤러(30)는 전극 집전체(F)의 이면 중 전극 슬러리(S)가 도포된 영역, 즉 코팅부(Fc)의 이면에 정전기 유도 물질이 직접 맞닿도록 정전기 유도 물질이 표면에 코팅될 수 있다.
상기 롤러(30)는 전극 슬러리(S)가 도포된 코팅부(Fc)의 이면에 정전기 유도 물질이 코팅된 대전 영역(31)을 포함하여 전극 집전체(F)의 주행 중 이면에 직접 전하를 유도할 수 있으며, 이때 사용 가능한 정전기 유도 물질로는 에보나이트, 유리, 나일론, 울, 레이온, 양모, 실크, 명주, 종이, 철, 고무, 구리, 은, 금, 백금, 폴리스티렌, 아크릴, 셀룰로이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리프로필렌 폴리에틸렌, 실리콘 또는 테프론 등을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 정전기 유도 물질은 테프론, 폴리비닐클로라이드, 셀룰로이드 또는 고무를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 정전기 유도 물질은 전극 슬러리가 도포된 코팅부(Fc)의 이면에 코팅되므로, 롤러(30)의 전체 표면에 코팅되거나 롤러의 중앙부만에 코팅될 수 있다. 정전기 유도 물질이 롤러(30)의 중앙부에 코팅되는 경우, 상기 롤러(30)는 양단에 정전기 유도 물질이 코팅되지 않는 비대전 영역(32)을 포함할 수 있고, 이때 정전기 유도 물질이 코팅되지 비대전 영역(32)의 총 면적은 롤러(30)의 전체 표면의 25% 이하일 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 정전기 유도부(30)는 마찰 대전의 방식을 적용하여 마찰 부재가 구비하는 구성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 정전기 유도부(30)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 모터(322)와, 상기 모터의 모터축과 축 결합되며, 외주면에 기어가 형성된 동력 전달축(321)으로 구성된 모터부(320); 상기 동력전달축(321)과 기어결합되어 동력전달축의 회전에 의해 회전하도록 외주면에 기어가 형성된 원형의 회전마찰부재(331)와 상기 회전마찰부재의 외주면 일측에 접촉되게 설치된 고정마찰부재(332)와, 상기 회전마찰부재(331)와 일정거리 이격되고 상기 회전마찰부재(331)를 중심으로 상기 고정마찰부재(332)와 대칭되는 위치에 설치되는 호형의 정전기유도부재(333)와, 상기 정전기유도부재(333)의 일측에 설치된 정전기 유도선(334)으로 구성된 정전기 발생부(330); 및 상기 정전기 유도선(334)에 의해 정전기유도부재(333)와 연결되어 표면에 전하를 띠고, 전극 집전체의 이면과 대면하도록 마련되는 정전기판(340)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 모터부(320)는 외부로부터 전원(323)을 공급받거나 배터리 등에 의해 구동하는 모터(322)와, 상기 모터(322)의 모터축과 축 결합되며 외주면에 기어가 형성된 동력전달축(321)으로 구성된다. 동력전달축(321)의 외주면에 형성된 기어는 하기에서 언급할 회전마찰부재와 맞물려 회전마찰부재를 회전시키기 위해 형성된 것이다.
또한, 상기 동력전달축(321)의 외주면에 형성된 기어는 하기에서 언급할 회전마찰부재(331)와 맞물려 그 회전마찰부재(331)를 회전시키기 위해 형성된 것이다.
상기 정전기발생부(50)는 상기 동력전달축(321)과 기어결합되게 설치되고 상기 모터(322)가 회전하면 상기 동력전달축(321)의 회전에 의해 회전하도록 외주면에 기어가 형성된 원형의 회전마찰부재(331)와, 상기 회전마찰부재(331)의 외주면 일측에 접촉되게 설치된 고정마찰부재(332)와, 상기 회전마찰부재(331)와 일정거리 이격되고 상기 회전마찰부재(331)를 중심으로 상기 고정마찰부재(332)와 대칭되는 위치에 설치되는 호형의 정전기유도부재(333)와, 상기 정전기유도부재(333)의 일측에 설치되는 정전기유도선(334)로 구성된다.
이때, 상기 회전마찰부재(331)는 발생된 정전기의 손실을 줄이기 위해, 외주면의 상부 또는 하부에 기어가 형성되고, 기어가 형성되지 않은 외주면에는 상기 고정마찰부재(332)가 면 접촉하도록 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 상기 회전마찰부재(331)와 상기 고정마찰부재(332)을 이루는 재질에 특별한 한정은 두지 않지만, 정전기 발생량을 높이기 위해서는 대전 서열이 높은 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 각각의 형상으로 가공할 수 있는 재질의 것을 사용하면 되는 것이다.
또한, 상기 동력전달축(321)과 회전마찰부재(331)는 웜기어 방식으로 상호 기어물림되게 설치된 것이고, 상기 동력전달축(321)이 회전하게 되면 상기 동력전달축(321)의 기어에 맞물린 상기 회전마찰부재(331)가 회전하게 되며, 이에 따라 상기 회전마찰부재(331)와 고정마찰부재(332)가 마찰하며 정전기가 발생하게 된다.
상기와 같이 발생한 정전기는, 정전기 발생 부위 즉, 상기 고정마찰부재(332)의 근접위치에서 그 정전기를 상쇄시키려는 힘이 가장 강하므로 상기 정전기판(340)으로 발생된 정전기를 최대한 상쇄시키지 않고 전달하기 위해서, 상기 회전마찰부재(331)와는 인접하되 상기 고정마찰부재(332)와는 가장 원거리에 정전기유도부재(333)를 설치하는 것이다.
아울러, 상기 고정마찰부재(332)는 다양한 형태로 형성하여 사용할 수 있고, 도면에 도시되지 않았으나, 일체로 된 패드를 상기 본체 케이스(310)에 고정하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 고정마찰부재는 브러쉬 형태를 가질 수 있다.
상기 정전기유도선(334)은 상기 회전마찰부재(331)와 고정마찰부재(332)에서 발생된 정전기가 정전기판(340)으로 유도됨에 있어 손실되지 않도록 절연 소재로 피복된 전선을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 더불어, 상기 정전기판(340)은 상기 정전기유도부재(333)와 연결되어 유도된 정전기를 넓은 면적으로 방출하기 위해 형성되는 것이며, 그 형상은 도면에 도시된 바와 같이 판형으로 형성되어 넓은 면적을 갖도록 형성하여, 전극 집전체의 이면에 소정의 거리로 이격되도록 배치될 수 있다. 이때, 상기 이격거리는 1~30㎝일 수 있고, 구체적으로는 1~20㎝; 1~10㎝; 1~5㎝; 5~10㎝; 10~20㎝; 또는 15~30㎝일 수 있다.
상기 정전기판(340)은 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 소정의 거리로 이격되어 배치됨으로써 전극 집전체의 이면에 간접적으로 대전을 유도할 수 있다.
나아가, 상기 정전기 유도부(30)는 전극 집전체의 이면에 정전기를 충분히 유도하기 위하여 회전마찰부재(331)의 회전 속도 등을 제어할 수 있으며, 이를 위하여 케이스 내부에 별도로 제어부(350)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 코팅장치는 상술된 구성을 가짐으로써 전극 집전체의 표면에 도포된 전극 슬러리의 이온성 바인더가 전극의 건조 과정에서 휘발되는 용매의 영향으로 표면으로 이동하여 농도가 높아지는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
전극의 제조방법
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상기 전극 코팅장치를 이용한 전극의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 전극의 제조방법은 전극 집전체의 표면에 전극 슬러리를 도포하는 단계; 및 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 전극의 제조방법은 전하를 갖는 이온성 바인더를 함유하는 전극 슬러리를 전극 집전체의 표면에 도포하고, 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 상기 이온성 바인더가 갖는 전하의 반대 전하로 대전시켜 정전기를 유도함으로써 전극 슬러리의 건조 시 전극 슬러리 내의 용매가 휘발하면서 바인더가 전극 슬러리의 표면으로 집중되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 전극 슬러리는 (+) 전하를 나타내는 이온성 바인더를 함유할 수 있고, 이 경우, 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에는 (-) 전하를 유도할 수 있다. 또는 상기 전극 슬러리는 (-) 전하를 나타내는 이온성 바인더를 함유하는 전극 슬러리를 함유할 수 있고, 이 경우, 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 (+) 전하를 유도할 수 있다.
상기 이온성 바인더는 전하는 갖는 것이라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 전극 활물질들과의 접합력 및 합재층 내부에서의 전기적 물성을 고려하여, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴로니트릴(PAN: polyacrylonitrile), 폴리아크릴 아미드(PAM: polyacryl amide), 스티렌부타디엔 고무(SBR: styrene butadiene rubber), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(acrylonitrile butadiene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 부틸 고무(butyl rubber), 플루오르 고무(fluoro rubber), 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌 글리콜(PEG: polyethylene glycol) 및 알지네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 중합체를 포함할 수 있다. 상기 중합체들은 카르복실기(-COOH)나 설폰기(-SOOOH) 등을 포함하여 일부가 Na+나 Li+ 등의 알칼리 금속 이온 등과 염의 형태를 가짐으로써 (-) 전하를 가질 수 있다.
하나의 예로서, 전극 슬러리에 함유된 이온성 바인더는 일부가 Na+로 치환된 카복실메틸 셀룰로오스(Na-CMC)를 포함하고, 상기 정전기 유도기는 상기 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 (+) 전하를 유도할 수 있다.
또한, 상기 이온성 바인더는 전극 슬러리 전체 100 중량부에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 포함될 수 있고, 구체적으로는 전체 100 중량부에 대하여 0.5 내지 5 중량부; 또는 1 내지 4 중량부로 포함될 수 있다.
아울러, 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 단계는 전극 집전체의 이면과 정전기 유도 물질과의 접촉 대전에 의해 수행되거나; 또는 마찰 부재의 마찰 대전에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 정전기 유도는 에보나이트, 유리, 나일론, 울, 레이온, 양모, 실크, 명주, 종이, 철, 고무, 구리, 은, 금, 백금, 폴리스티렌, 아크릴, 셀룰로이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리프로필렌 폴리에틸렌, 실리콘 또는 테프론 등의 정전기 유도 물질을 전극 집전체의 이면에 접촉시키거나; 또는 별도의 마찰 부재를 준비하고, 준비된 마찰 부재의 마찰에 의해 생성된 전하를 전극 집전체의 이면에 근접시킴으로써 수행될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전극의 제조방법은 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 단계 이후에, 전극 집전체의 일면에 도포된 전극 슬러리를 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 건조 단계는 고온 조건에서 수행되어 전극 슬러리의 용매가 휘발되더라도, 전극 집전체의 이면에 유도된 정전기에 의해 전극 슬러리 내에 균일하게 분산된 이온성 바인더가 전극 집전체와 가까운 전극 슬러리의 하부에 고정되므로 이온성 바인더가 전극 슬러리의 표면으로 이동하여 집중되는 것을 방지할 수 있다.
이때, 전극 슬러리를 건조시키는 단계는 전극 슬러리에 함유된 용매를 제거하는데 필요한 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로는 50℃ 내지 200℃일 수 있고, 보다 구체적으로는 50℃ 내지 200℃; 80℃ 내지 200℃; 100℃ 내지 200℃; 80℃ 내지 150℃; 또는 110℃ 내지 180℃일 수 있다.
본 발명에 따른 전극의 제조방법은 앞서 상술된 전극 코팅장치를 이용하여 수행될 수 있으며, 이에 따라 전하를 갖는 이온성 바인더를 함유하는 전극 슬러리를 전극 집전체의 표면에 도포하고, 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 상기 이온성 바인더가 갖는 전하의 반대 전하로 대전시켜 정전기를 유도함으로써 전극 슬러리의 건조 시 전극 슬러리 내의 용매가 휘발하면서 바인더가 전극 슬러리의 표면으로 집중되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~3 및 비교예 1~3. 리튬 이차전지용 음극의 제조
리튬 이차전지용 음극을 제조하기 위하여 구리 박판을 준비하였다. 이와 별도로, 호모 믹서에 물을 주입하고, 음극활물질인 천연 흑연 및 규소(Si) 함유 입자와 바인더인 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 및 Na로 치환된 카복실메틸셀룰로오스(CMC)를 80:10:1:2의 중량 비율로 칭량하여 각각 별도로 투입한 후, 3,000rpm에서 60분 동안 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다.
도 1과 같은 구조의 전극 코팅장치의 이송부(11)에 준비된 구리 박판을 고정시키고, 코터(20)에 제조된 음극 슬러리를 투입하였다. 그런 다음, 전극 코팅장치를 작동시켜 전극 집전체인 구리 박판의 표면에 음극 슬러리를 도포하였다.
음극 슬러리가 도포된 전극 집전체를 건조부로 이송하여 음극 슬러리가 건조된 음극 합재층을 형성하고, 이를 압연하여 리튬 이차전지용 음극을 제조하였다. 이때, 음극 합재층의 총 두께는 150㎛이었고, 제조된 음극의 총 두께는 약 200㎛이었다. 또한, 정전기 유도부는 도 3에 나타낸 바와 같이 마찰 대전 방식으로 음극 슬러리가 표면에 도포된 구리 박판 이면에 정전기를 유도하였으며, 이송부의 주행속도, 건조 전 정전기 유도부의 작동여부(즉, + 전하 대전 유무), 및 건조부의 건조 온도는 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
이송부의 주행속도 정전기 유도부의 작동여부 건조온도
실시예 1 30 m/min ○ 60℃
실시예 2 90 m/min ○ 60℃
실시예 3 90 m/min ○ 90℃
비교예 1 30 m/min X 60℃
비교예 2 90 m/min X 60℃
비교예 3 90 m/min X 90℃
실험예.
본 발명에 따라 제조된 전극의 성능을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
음극 합재층의 접착력 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 양극을 가로 및 세로의 길이가 각각 25mm, 70mm가 되도록 절단하고, 프레스를 이용하여 70℃, 4MPa조건으로 가압하여 시편을 제작하였다. 준비된 시편을 양면 테이프를 이용하여 유리판에 부착하여 고정하였으며, 이때 집전체가 유리판에 대면하도록 배치하였다. 인장시험기를 이용하여 시편의 제2 합재층 부분을 25℃에서 100mm/min 속도로 90°의 각도로 박리하고 이때의 박리력을 실시간으로 측정해 그 평균값을 음극 합재층의 접착력으로 정의하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
전극 저항 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 음극을 대상으로 4점 프로브(4-point probe) 방식으로 전극의 면저항을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
전극 수명 평가
호모 믹서(homo mixer)에 N-메틸피롤리돈을 주입하고, 양극 슬러리 고형분 100 중량부에 대하여 양극활물질로서 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 96 중량부; 도전재로서 카본 블랙 2 중량부; 및 바인더로서 PVdF 2 중량부를 칭량하여 투입한 다음, 2,000rpm에서 30분 동안 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다.
제조된 양극 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 다음 100℃에서 건조하고 압연하여 양극을 제조하였다. 이때 양극 합재층의 총 두께는 160㎛이었고, 제조된 양극의 총 두께는 약 200㎛이었다.
제조된 양극과 실시예 및 비교예의 음극의 사이에 다공질 폴리에틸렌(PE) 필름으로 이루어진 분리막 (두께: 약 16㎛)이 개재되도록 적층하고 전해액로 E2DVC를 주입하여 풀셀(full cell) 형태의 셀을 제작하였다.
여기서, "E2DVC"란 카보네이트계 전해액의 일종으로서, 에틸렌카보네이트(EC):디메틸카보네이트(DMC):디에틸카보네이트(DEC)=1:1:1 (부피비)의 혼합물에, 리튬 헥사플루오로 포스페이트(LiPF6, 1.0M) 및 비닐카보네이트(VC, 2 중량%)를 혼합한 용액을 의미한다.
제조된 각 리튬 이차전지를 대상으로 25℃에서 충전 종지 전압 4.25V, 방전 종지 전압 2.5V, 0.33C/0.33C 조건으로 200회 충방전(n=200)을 실시하면서 용량 유지율(Capacity Retention[%])을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
음극 합재층의
접착력 [N/m]		 전극 저항
[Ω/㎝]		 200회(n=200) 충방전 시 용량 유지율 [%]
실시예 1 41 2.1±0.05 94.4
실시예 2 38 2.0±0.05 96.3
실시예 3 37 2.2±0.05 95.8
비교예 1 26 3.3±0.05 87.8
비교예 2 25 3.2±0.05 89.5
비교예 3 25 3.3±0.05 89.9
본 발명에 따라 제조된 전극은 전극 합재층과 전극 집전체 간의 접착력이 우수하고, 전기적 성능이 뛰어난 것을 알 수 있다.
구체적으로, 전극 집전체의 표면에 전극 슬러리를 도포하고, 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도한 실시예의 리튬 이차전지용 음극은 음극 합재층과 집전체와의 접착력이 35N/m을 초과하는 높은 접착력을 나타내고, 전극 저항이 이하이며, 200회 충방전 후 용량 유지율이 95%를 초과하는 것을 나타났다.
반면, 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하지 않은 비교예의 리튬 이차전지용 음극은 음극 합재층과 집전체 간의 접착력이 약할 뿐만 아니라, 전기적 성능이 낮은 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법은 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 전극 슬러리에 바인더로서 함유된 이온성 바인더가 갖는 전하와 반대의 전하를 갖도로 정전기를 유도함으로써, 전극 슬러리의 건조 공정 시 용매의 휘발이 발생하더라도 바인더가 전극 슬러리의 표면으로 이동하는 것을 방지할 수 있으므로, 전극 슬러리가 건조되어 형성되는 전극 합재층과 전극 집전체의 접착력을 개선하는 효과가 우수한 이점이 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
1: 전극 코팅장치
11 및 12: 이송부
20: 코터
30: 정전기 유도부
31: 대전 영역
32: 비대전 영역
40: 건조부
50: 압연부
310: 본체 케이스
320: 모터부
321: 동력전달축
322: 모터
323: 외부 전원
330: 정전기발생부
331: 회전마찰부재
332: 고정마찰부재
333: 정전기유도부재
334: 정전기유도선
340: 정전기판
350: 제어부
F: 전극 집전체
S: 전극 슬러리
Fc: 전극 집전체의 전극 슬러리 코팅부
Fn: 전극 집전체의 전극 슬러리가 코팅되지 않은 무지부

Claims (14)

  1. 롤투롤 방식으로 전극 집전체를 이동시키는 이송부;
    상기 이송부에 의해 이동하는 전극 집전체의 표면에 전극 슬러리를 토출하는 코터; 및
    상기 전극 슬러리가 표면에 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 정전기 유도부를 포함하는 전극 코팅장치.
  2. 제1항에 있어서,
    정전기 유도부는 표면에 정전기 유도 물질이 코팅된 대전 영역을 포함하는 롤러를 포함하는 전극 코팅장치.
  3. 제2항에 있어서,
    정전기 유도 물질은 에보나이트, 유리, 나일론, 울, 레이온, 양모, 실크, 명주, 종이, 철, 고무, 구리, 은, 금, 백금, 폴리스티렌, 아크릴, 셀룰로이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리프로필렌 폴리에틸렌, 실리콘 또는 테프론을 포함하는 전극 코팅장치.
  4. 제1항에 있어서,
    정전기 유도부는,
    모터와, 상기 모터의 모터축과 축 결합되며, 외주면에 기어가 형성된 동력 전달축으로 구성된 모터부;
    상기 동력전달축과 기어결합되어 동력전달축의 회전에 의해 회전하도록 외주면에 기어가 형성된 원형의 회전마찰부재와 상기 회전마찰부재의 외주면 일측에 접촉되게 설치된 고정마찰부재와, 상기 회전마찰부재와 일정거리 이격되고 상기 회전마찰부재를 중심으로 상기 고정마찰부재와 대칭되는 위치에 설치되는 호형의 정전기 유도부재와, 상기 정전기유도부재의 일측에 설치된 정전기 유도선으로 구성된 정전기 발생부; 및
    상기 정전기 유도선에 의해 정전기 유도부재와 연결되어 표면에 전하를 띠고, 전극 집전체의 이면과 대면하도록 마련되는 정전기판을 포함하는 전극 코팅장치.
  5. 제4항에 있어서,
    회전마찰부재는 외주면의 상부 또는 하부에 기어가 형성되고,
    기어가 형성되지 않은 외주면에는 상기 고정마찰부재가 면 접촉하는 전극 코팅장치.
  6. 제1항에 있어서,
    전극 슬러리는 이온성 바인더를 함유하고,
    정전기 유도부는 전극 집전체 표면에 도포된 전극 슬러리의 이온성 바인더와 반대 전하를 전극 집전체 이면에 유도하는 전극 코팅장치.
  7. 제6항에 있어서,
    이온성 바인더는 카복실메틸 셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 스티렌부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴부타디엔 고무, 아크릴 고무, 부틸 고무, 플루오르 고무, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 글리콜 및 알지네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 중합체를 포함하는 전극 코팅장치.
  8. 제1항에 있어서,
    이송부는 20 내지 100 m/min의 속도로 운행되는 전극 코팅장치.
  9. 전극 집전체의 일면에 전극 슬러리를 도포하는 단계; 및
    전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    전극 슬러리는 이온성 바인더를 함유하고,
    전극 슬러리가 도포된 전극 집전체의 이면에 유도되는 정전기는 상기 이온성 바인더와 반대 저하를 갖는 전극의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    이온성 바인더는 셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 스티렌부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴부타디엔 고무, 아크릴 고무, 부틸 고무, 플루오르 고무, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 글리콜 및 알지네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 중합체를 포함하는 전극의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    전극 집전체의 이면에 정전기를 유도하는 단계는
    전극 집전체의 이면과 정전기 유도 물질과의 접촉 대전에 의해 수행되거나; 또는
    마찰 부재의 마찰 대전에 의해 수행되는 전극의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 정전기를 유도하는 단계 이후에,
    전극 집전체의 일면에 도포된 전극 슬러리를 건조시키는 단계를 더 포함하는 전극의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    전극 슬러리를 건조시키는 단계는 50℃ 내지 200℃의 온도에서 수행되는 전극의 제조방법.
KR1020210127327A 2021-09-27 2021-09-27 전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법 KR20230044783A (ko)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210127327A KR20230044783A (ko) 2021-09-27 2021-09-27 전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법
CN202280008203.8A CN116745938A (zh) 2021-09-27 2022-09-01 电极涂布装置、以及使用该装置的电极制造方法
JP2023536177A JP2023554365A (ja) 2021-09-27 2022-09-01 電極コーティング装置およびそれを用いた電極の製造方法
EP22873124.6A EP4246603A4 (en) 2021-09-27 2022-09-01 ELECTRODE COATING APPARATUS AND ELECTRODE MANUFACTURING METHOD USING SAME
US18/266,724 US20240047636A1 (en) 2021-09-27 2022-09-01 Electrode coating apparatus, and electrode manufacturing method using same
PCT/KR2022/013097 WO2023048419A1 (ko) 2021-09-27 2022-09-01 전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210127327A KR20230044783A (ko) 2021-09-27 2021-09-27 전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230044783A true KR20230044783A (ko) 2023-04-04

Family

ID=85720899

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210127327A KR20230044783A (ko) 2021-09-27 2021-09-27 전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240047636A1 (ko)
EP (1) EP4246603A4 (ko)
JP (1) JP2023554365A (ko)
KR (1) KR20230044783A (ko)
CN (1) CN116745938A (ko)
WO (1) WO2023048419A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN216262704U (zh) * 2021-10-15 2022-04-12 江苏时代新能源科技有限公司 一种辊压装置及加工设备

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150014629A (ko) 2013-07-30 2015-02-09 주식회사 엘지화학 접착력이 우수한 결착제를 포함하고 있는 이차전지용 전극

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4021627B2 (ja) * 2000-03-22 2007-12-12 株式会社東芝 遺伝子検出用担体、及びインターフェロン療法の有効性を検出するためのその使用
US9012078B2 (en) * 2009-11-18 2015-04-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method for producing battery electrode
DE102010061485A1 (de) * 2010-12-22 2012-06-28 Chemetall Gmbh Elektroden für Lithium-Batterien
JP2014007037A (ja) * 2012-06-22 2014-01-16 Toyota Motor Corp 非水電解質二次電池の製造方法，および，その方法により製造された非水電解質二次電池
KR101832220B1 (ko) * 2016-02-26 2018-02-26 서정수 정전기를 이용한 미세먼지 집진장치
KR102432049B1 (ko) * 2016-09-30 2022-08-16 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬 이차전지용 전극 및 이를 구비한 리튬 이차전지
KR102641842B1 (ko) * 2018-08-03 2024-02-29 주식회사 엘지에너지솔루션 극박의 만곡 개선 및 접힘 현상을 방지할 수 있는 전극 제조방법
KR102533015B1 (ko) * 2018-10-16 2023-05-16 주식회사 엘지에너지솔루션 극박의 만곡 개선 및 접힘 현상을 방지할 수 있는 극박의 이송 및 가공방법
KR102359574B1 (ko) 2020-04-14 2022-02-07 송순영 리프팅 기능이 구비된 휠체어

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150014629A (ko) 2013-07-30 2015-02-09 주식회사 엘지화학 접착력이 우수한 결착제를 포함하고 있는 이차전지용 전극

Also Published As

Publication number Publication date
EP4246603A4 (en) 2024-07-24
WO2023048419A1 (ko) 2023-03-30
EP4246603A1 (en) 2023-09-20
US20240047636A1 (en) 2024-02-08
CN116745938A (zh) 2023-09-12
JP2023554365A (ja) 2023-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4687458B2 (ja) 電気化学デバイス用電極の製造方法
Lee et al. Electrochemical performance of lithium/sulfur batteries with protected Li anodes
CN104124427B (zh) 电极、包含该电极的电化学装置和制造该电极的方法
CN107665966A (zh) 一种锂硫电池
CN110323493B (zh) 一种正极极片和聚合物电解质膜的组合片及其制备方法
CN101174685A (zh) 一种锂离子电池正极或负极极片及其涂布方法
KR20110003131A (ko) 친수성 고분자로 표면개질된 폴리올레핀 미세다공성막, 그의 표면개질방법 및 표면개질된 폴리올레핀 미세다공성막을 구비한 리튬이온폴리머전지
US20070154813A1 (en) Electrode Structure Secondary Cell and Electrode Double Layer Capacitor
CN106560943A (zh) 硅碳负电极及其制备方法和锂离子电池
CN110247009A (zh) 一种防过充隔膜及其制备方法和锂离子电池
CN115714163B (zh) 预锂负极片及其制备方法、预锂电芯和锂离子电池
CN108306021A (zh) 一种基于硅的锂离子电池负极
KR20230044783A (ko) 전극 코팅장치 및 이를 이용한 전극의 제조방법
CN109390554B (zh) 一种负极片及其富锂负极片和锂离子二次电池及制备方法
EP1130667A1 (en) Press-slide kneader, method for coating with ionic-conductive polymer, and powdery material
CN101536217A (zh) 非水电解质二次电池用电极及使用该电极的非水电解质二次电池
WO2023208007A1 (zh) 复合材料及其制备方法和应用
US20040234677A1 (en) Mixer for coating an ion-conducting polymer on a powdered substance and method for coating the same
JPH08250110A (ja) 非水電解液二次電池用電極板の製造方法
Kaneko et al. Lithium-ion conduction in elastomeric binder in Li-ion batteries
CN205050932U (zh) 正极片及电池
JP2009158450A (ja) 非水電解液二次電池用電極板の製造方法
KR20220089910A (ko) 이차전지용 음극 슬러리 조성물
CN108134128B (zh) 聚合物锂离子电池的电芯及聚合物锂离子电池
JP7213486B2 (ja) 鉛蓄電池用正極及びそれを用いた鉛蓄電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination