KR20230067200A - 전극 코팅 장치 및 방법 - Google Patents

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die coater
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유승재
전신욱
이택수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 명세서는 공급탱크에서 슬롯 다이 주입구로 이송되는 코팅 물질의 속도 분포를 균일화하기 위해 난류 발생기를 포함하는 전극 코팅 장치 및 전극 코팅 방법에 관한 것이다.

Description

전극 코팅 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COATING ELECTRODE}
본 명세서는 전극 코팅 장치 및 전극 코팅 방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되어 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치에 관심도 크다.
특히 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 수요에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께를 가지며 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높다. 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체를 포함하는 구조이다. 상기 양극 및 음극은 집전체 상에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅함으로써 제조된다.
집전체 상에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅하는 방법 중 슬롯 다이는 전극 슬러리가 주입되는 중앙부의 압력이 높아 코팅 물질이 균등하게 도포되기 어렵다.
이에 따라, 공급탱크에서 슬롯 다이 주입구로 이송되는 코팅 물질의 속도 분포를 균일화하기 위한 연구가 필요하다.
본 명세서는 전극 코팅 장치 및 전극 코팅 방법을 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기재 상에 전극 슬러리를 도포하는 다이 코터, 상기 다이 코터로 상기 전극 슬러리를 공급하는 주입구, 상기 전극 슬러리가 상기 다이 코터 측으로 이동하도록, 상기 주입구에 단부가 결합된 유로, 및 상기 유로 내 구비되어, 상기 유로를 따라 이동하는 상기 전극 슬러리에 난류를 발생시키는 난류 발생기를 포함하는 것인 전극 코팅 장치를 제공한다.
본 명세서의 또 다른 실시상태는 기재 상에 전극 슬러리를 도포하는 다이 코터를 이용하는 전극 코팅 방법에 있어서, 상기 다이 코터에 상기 전극 슬러리를 주입하기 전에, 난류 발생기를 통과시켜 상기 전극 슬러리의 유동에 난류를 발생시키는 단계; 상기 난류 발생기를 통과한 전극 슬러리를 상기 다이 코터에 주입하는 단계; 및 상기 다이 코터로 기재 상에 전극 슬러리를 도포하는 단계를 포함하는 전극 코팅 방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태의 전극 코팅 장치와 방법에 따르면, 공급탱크에서 슬롯 다이 주입구로 이송되는 코팅 물질의 속도 분포를 균일화할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태의 전극 코팅 장치와 방법에 따르면, 공급탱크에서 슬롯 다이 주입구로 이송되는 코팅 물질의 폭 방향 편차를 줄일 수 있다.
도 1은 전극 코팅 장치를 도시한 개략도이다.
도 2(a)는 일 실시상태에 따라 매쉬패턴을 갖는 난류 발생기의 사시도 및 수직 단면도이고, 도 2(b)는 또 다른 실시상태에 따라 벌집구조를 갖는 난류 발생기의 사시도 및 수직 단면도이다.
도 3은 전극 코팅 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 종래 전극 코팅 장치의 단면도에서, 전극 슬러리가 슬롯 다이 팁으로 이동하는 경로와 유로 내 유동 속도를 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시상태에 따른 전극 코팅 장치의 단면도에서, 전극 슬러리가 슬롯 다이 팁으로 이동하는 경로와 난류 발생기로 인한 유로 내 유동 속도의 변화를 나타낸 것이다.
도 6(a)는 다른 실시상태에 따라 매쉬패턴을 갖는 난류 발생기의 사시도 및 수직 단면도이고, 도 6(b)는 또 다른 실시상태에 따라 벌집구조를 갖는 난류 발생기의 사시도 및 수직 단면도이다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 도면은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 도면에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 1은 전극 코팅 장치(100)를 도시한 개략도이다. 전극 코팅 장치(100)는 공급 탱크(50), 다이 코터(10), 주입구(20), 유로(30), 난류 발생기(40)를 포함한다. 상기 주입구(20)의 일단부는 공급 탱크(50)로부터 전극 슬러리가 이동되는 전극 슬러리의 유로(30)와 체결될 수 있다. 이와 같은 체결에 의해, 공급 탱크(50)로부터 다이 코터(10)까지 전극 슬러리가 이동하는 유로(30)가 형성되고, 이러한 유로(30) 내에 난류 발생기(40)가 구비된다.
도 3은 전극 코팅 장치(100)를 도시한 분해 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 주입구(20)는 상기 다이 코터의 측면으로부터 돌출된 배관이며, 상기 난류 발생기(40)의 일단부는 상기 배관의 단부에 체결되고, 타단부는 전극 슬러리의 공급관(60)의 단부와 체결되며, 상기 유로(30)는 상기 전극 슬러리의 공급관으로부터 이동된 전극 슬러리가 난류발생기를 통과하여 상기 배관으로 주입되는 경로일 수 있다.
도 2(a)는 일 실시상태에 따라 매쉬패턴을 갖는 난류 발생기의 사시도 및 수직 단면도이고, 도 2(b)는 또 다른 실시상태에 따라 벌집구조를 갖는 난류 발생기의 사시도 및 수직 단면도이다.
난류 발생기(40)는 상기 유로(30) 내 구비되어, 상기 유로(30)를 따라 이동하는 상기 전극 슬러리에 난류를 발생시킨다. 유로(30) 내 구조물 추가로 인한 압력강하를 최소화하는 형상을 선택하는 것이 바람직하며, 유로(30) 내 유동성을 막는 형태, 즉 유동 방향과 평행하지 않는 판을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 구체적으로, 난류 발생기(40)는 추가 구조물로 흐름이 갈라지는 정도의 난류를 형성할 수 있다면 압력 강하는 최소화하면서 속도의 분포를 균일화할 수 있다. 압력 강하는 최소화하면서 속도의 분포를 균일화하기 위해서, 난류 발생기(40)를 구성하는 구조물은 얇은 금속사이거나, 유동방향과 평행하게 구비된 판으로 구비되어, 이동하는 전극 슬러리(2)가 판의 모서리, 즉 판의 두께만큼의 영향을 받아 그 흐름이 갈아지면서 속도 편차를 감소시킨다.
도 4와 같이, 종래 전극 코팅 장치의 단면도에서, 전극 슬러리(2)가 슬롯 다이 팁으로 이동하면서 유로벽측 유속과 중앙부 유속의 편차가 커지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 유속의 편차가 큰 경우 중앙부의 압력이 높아져 기재(1) 상에 전극 슬러리(2)가 균등하게 도포되지 않는다.
반면, 본 명세서에 따른 전극 코팅 장치(100)는 슬롯 다이 주입구(20)로 이송되는 코팅 물질의 속도 분포를 균일화하기 위해 난류 발생기(40)를 포함한다. 구체적으로, 도 5와 같이, 전극 슬러리(2)가 슬롯 다이 팁으로 이동하면서, 난류 발생기를 통과하면 난류에 의해 유속의 편차가 줄어들고, 속도 분포가 균일해진 전극 슬러리(2)는 보다 균등하게 도포된다.
상기 난류 발생기(40)의 단면은, 상기 유로의 길이방향의 수직으로, 다수의 다각형이 인접한 패턴일 수 있다. 상기 다수의 다각형이 인접하여 형성된 패턴 중 다각형은 3개 이상의 꼭짓점을 갖는 평면도형이며, 구체적으로 3 내지 10개의 꼭짓점을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 다각형은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등일 수 있다.
상기 난류 발생기(40)는 상기 다각형을 형성하는 판을 포함하거나, 상기 다각형을 형성하는 금속사를 포함할 수 있다.
상기 판은 금속판일 수 있으며, 판의 재질은 전극 슬러리에 영향을 주거나 받지 않고 형태 유지를 위한 충분한 강도를 유지할 수 있다면 특별히 한정하지 않으나, 상기 판의 재질은 SUS304 등의 스테인리스강일 수 있다. 상기 판의 두께는 형태 유지를 위한 충분한 강도를 유지할 수 있다면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 상기 판의 두께는 0.1mm 이상 10mm 이하일 수 있다.
상기 금속사의 재질은 전극 슬러리에 영향을 주거나 받지 않고 형태 유지를 위한 충분한 강도를 유지할 수 있다면 특별히 한정하지 않으나, 상기 금속사의 재질은 SUS304 등의 스테인리스강일 수 있다. 상기 금속사의 굵기, 즉 길이방향의 수직단면의 지름은 형태 유지를 위한 충분한 강도를 유지할 수 있다면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 상기 금속사의 굵기는 0.1mm 이상 10mm 이하일 수 있다.
상기 난류 발생기(40)의 단면은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 유로의 길이방향의 수직으로, 매쉬패턴 또는 벌집구조일 수 있다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 상기 난류 발생기(40)의 단면은, 상기 유로(30)의 길이방향의 수직으로, 매쉬패턴이다. 이때, 매쉬패턴의 밀도가 너무 높으면, 즉 최소단위(41) 사각형의 넓이가 너무 좁으면, 압력 강하가 증가하므로, 매쉬패턴의 밀도는 낮은 것이 바람직하다. 상기 매쉬패턴의 최소단위(41) 사각형의 면적은, 유로(30) 단면 전체 면적의 3% 이상, 4% 이상, 5% 이상, 6% 이상, 7% 이상, 8% 이상, 9% 이상, 또는 10% 이상이고, 20% 이하일 수 있고, 구체적으로, 10% 이상 20% 이하일 수 있다. 이를 만족하는 경우, 압력 강하를 최소화하면서 난류 발생기로 인한 유속을 균일화할 수 있다. 상기 유로(30)의 길이방향의 단면에서, 최소단위(41)의 개수, 즉 사각형의 개수는 10개 이하이다. 여기서 최소단위의 개수는 반복되는 사각형의 형태를 유지하고 있는 폐쇄도형의 개수이다.
도 6(a)에 도시된 바와 같이, 상기 유로(30)의 길이방향의 단면에서, 최소단위(41)의 개수, 즉 사각형의 개수는 10개일 수 있다. 여기서 최소단위의 개수는 반복되는 사각형의 형태를 유지하고 있는 폐쇄도형의 개수이다.
도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상기 난류 발생기(40)의 단면은, 상기 유로의 길이방향의 수직으로, 벌집구조이다. 이때, 벌집구조의 밀도가 너무 높으면, 즉 최소단위(41) 육각형의 넓이가 너무 좁으면, 압력 강하가 증가하므로, 벌집구조의 밀도는 낮은 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 벌집구조의 최소단위(41) 육각형의 면적은, 유로(30) 단면 전체 면적의 3% 이상, 4% 이상, 5% 이상, 6% 이상, 7% 이상, 8% 이상, 9% 이상, 또는 10% 이상이고, 20% 이하일 수 있고, 구체적으로, 10% 이상 20% 이하일 수 있다. 이를 만족하는 경우, 압력 강하를 최소화하면서 난류 발생기(40)로 인한 유속을 균일화할 수 있다. 상기 유로(30)의 길이방향의 단면에서, 최소단위(41)의 개수, 즉 육각형의 개수는 10개 이하이다. 여기서 최소단위의 개수는 반복되는 육각형의 형태를 유지하고 있는 폐쇄도형의 개수이다.
도 6(b)에 도시된 바와 같이, 상기 유로(30)의 길이방향의 단면에서, 최소단위(41)의 개수, 즉 육각형의 개수는 7개일 수 있다. 여기서 최소단위의 개수는 반복되는 육각형의 형태를 유지하고 있는 폐쇄도형의 개수이다.
상기 다이 코터(10)는 기재(1) 상에 전극 슬러리(2)를 도포한다. 상기 다이 코터의 구성은 제1 다이, 제2 다이 및 상기 제1 다이 및 상기 제2 다이의 사이에 전극 슬러리가 토출되도록 구비된 심을 포함하며, 상기 제1 다이 및 상기 제2 다이 중 적어도 하나의 측면을 관통하는 전극 슬러리의 주입구(20)가 구비된다. 상기 주입구(20)는 단순한 구멍일 수도 있고, 상기 다이 코터의 측면으로부터 돌출될 수 있다. 상기 주입구(20)는 상기 제1 다이 및 상기 제2 다이 중 적어도 하나의 측면을 관통하고 측면으로부터 돌출된 배관일 수 있다.
상기 주입구(20)의 일단부는 공급 탱크(50)로부터 전극 슬러리가 이동되는 전극 슬러리의 공급관(60)과 체결될 수 있다. 이와 같은 체결에 의해, 공급 탱크(50)로부터 다이 코터(10)까지 전극 슬러리가 이동하는 유로(30)가 형성된다. 이러한 유로에서, 상기 다이 코터의 측면으로부터 돌출된 배관 또는 상기 전극 슬러리의 공급관(60) 내에 난류 발생기(40)가 구비된 상태일 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태는 기재(1) 상에 전극 슬러리(2)를 도포하는 다이 코터(10)를 이용하는 전극 코팅 방법에 있어서, 상기 다이 코터(10)에 상기 전극 슬러리를 주입하기 전에, 난류 발생기(40)를 통과시켜 상기 전극 슬러리의 유동에 난류를 발생시키는 단계; 상기 난류 발생기를 통과한 전극 슬러리를 상기 다이 코터(10)에 주입하는 단계; 및 상기 다이 코터(10)로 기재(1) 상에 전극 슬러리(2)를 도포하는 단계를 포함하는 전극 코팅 방법을 제공한다.
상기 전극 코팅 방법의 설명은 전극 코팅 장치의 설명을 인용할 수 있다.
1: 기재 2: 전극 슬러리
10: 다이 코터 20: 주입구
30: 유로 40 난류 발생기
41: 최소단위
50: 공급 탱크 60: 전극 슬러리의 공급관
100: 전극 코팅 장치

Claims (9)

  1. 기재 상에 전극 슬러리를 도포하는 다이 코터,
    상기 다이 코터로 상기 전극 슬러리를 공급하는 주입구,
    상기 전극 슬러리가 상기 다이 코터 측으로 이동하도록, 상기 주입구에 단부가 결합된 유로, 및
    상기 유로 내 구비되어, 상기 유로를 따라 이동하는 상기 전극 슬러리에 난류를 발생시키는 난류 발생기를 포함하는 것인 전극 코팅 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유로의 길이방향의 수직으로, 상기 난류 발생기의 단면이 다수의 다각형이 인접한 패턴인 것인 전극 코팅 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 유로의 길이방향의 수직으로, 상기 난류 발생기의 단면은 매쉬패턴 또는 벌집구조인 것인 전극 코팅 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 난류 발생기는 상기 다각형을 형성하는 판을 포함하는 것인 전극 코팅 장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 난류 발생기는 상기 다각형을 형성하는 금속사를 포함하는 것인 전극 코팅 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 주입구는 상기 다이 코터의 측면으로부터 돌출된 배관이며,
    상기 난류 발생기의 일단부는 상기 배관의 단부에 체결되고, 타단부는 전극 슬러리의 공급관의 단부와 체결되며,
    상기 유로는 상기 전극 슬러리의 공급관으로부터 이동된 상기 전극 슬러리가 상기 난류발생기를 통과하여 상기 배관으로 주입되는 경로인 것인 전극 코팅 장치.
  7. 기재 상에 전극 슬러리를 도포하는 다이 코터를 이용하는 전극 코팅 방법에 있어서,
    상기 다이 코터에 상기 전극 슬러리를 주입하기 전에, 난류 발생기를 통과시켜 상기 전극 슬러리의 유동에 난류를 발생시키는 단계;
    상기 난류 발생기를 통과한 상기 전극 슬러리를 상기 다이 코터에 주입하는 단계; 및
    상기 다이 코터로 상기 기재 상에 상기 전극 슬러리를 도포하는 단계를 포함하는 전극 코팅 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 난류 발생기의 단면이 다수의 다각형이 인접한 패턴인 것인 전극 코팅 방법.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 난류 발생기의 단면은 매쉬패턴 또는 벌집구조인 것인 전극 코팅 방법.
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