KR20230068117A - 활물질 코팅장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집전체에 건식 코팅재료로 활물질층을 형성하는 활물질 코팅장치에 관한 것으로서, 소정의 간격으로 이격되어 인접하여 설치되고 서로 다른 방향으로 회전하는 제1롤러 및 제2롤러와, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 활물질층 원재료를 공급하는 제1재료 공급부와, 제1롤러 및 제2롤러와 평행하게 설치되고 서로 다른 방향으로 회전하며 소정의 간격으로 이격되어 인접하여 설치된 제3롤러 및 제4롤러와, 상기 제3롤러와 제4롤러 사이에 활물질층 원재료를 공급하는 제2재료 공급부를 포함하고, 상기 제2롤러의 회전속도는 상기 제1롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급된 활물질 원재료는 제2롤러의 표면에 섬유화되어 부착되고, 상기 제4롤러의 회전속도는 상기 제3롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급된 활물질 원재료는 제4롤러의 표면에 섬유화되어 부착되고, 상기 제2롤러의 표면에 부착된 섬유화막과 상기 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막은, 상기 제2롤러 및 제4롤러 사이를 통과하는 집전체의 양 표면에 라미네이팅되며, 상기 제2롤러 및 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막의 일부를 절단하기 위한 커터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 활물질 코팅장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2차 전지 등의 에너지 저장장치에 포함되는 전극의 집전체 표면에 건식 활물질층을 형성하는 활물질 코팅장치에 관한 것이다.
최근 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차 전지 등과 같은 에너지 저장장치의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도 리튬 이차 전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고, 보존 및 수명 특성이 우수하다는 점에서 각종 모바일 기기의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 2차 전지는 화석 연료를 사용하는 가솔린 또는 디젤 자동차로 인해 유발되던 대기오염을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 친환경 자동차(전기자동차, 하이브리드 자동차 등)의 에너지원으로 주목을 받고 있다. 상기 친환경 자동차에 리튬 2차 전지를 적용하기 위해서는 리튬 이차 전지가 고출력 특성을 갖는 것이 요구된다.
이와 같이 고출력 리튬 이차전지를 구현하는 방법 중 하나가 양극, 음극, 전해질로 구성되는 단위전지를 복수층으로 쌓는 방식이고, 양극과 음극을 구성하는 집전체는 전자의 이동통로를 제공하며, 집전체에 코팅된 활물질층은 이온이 이동경로를 제공하게 된다.
이차전지를 구성하는 전극을 제조하는 과정에서 집전체에 활물질층을 형성하는 방법은 일반적으로 활물질을 슬러리 상태로 만들고 이를 습식으로 코팅하는 방식이다. 이러한 습식 코팅방식은 공정과정에서 용매가 비산하고 별도의 건조공정을 거쳐야 하는 등의 이유로 공정이 복잡하고 생산비용이 높다.
한편 최근 전고체 전지에 관한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 전고체 전지는 기존의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하여 고체 전해질이 분리막을 역할까지 함께 하도록 한 차세대 전지이며, 폭발이나 화재와 같은 위험성이 크게 감소하고, 전지의 부피를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 전고체 전지의 공정 개발에 대한 최근 연구 이슈는 고체 전해질의 적용뿐 아니라, 슬러리 상태로 활물질을 코팅하던 기존이 습식코팅공정을 건식공정으로 대체하는 것이다. ]
활물질 건식코팅에 관한 선행문헌으로는 한국공개특허 제2020-0020702호가 있다. 상기 선행문헌은 폴리머 원료를 포함하는 건조분말 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시키면서 전단력을 부여하면서 활물질층을 형성하는 기술에 대하여 개시하고 있다. 그러나 상기 선행문헌은 활물질을 코팅방법에 관한 구성만을 개시하고 있을 뿐, 이차전지의 출력 증대 및 효율 향상에 관한 문제점을 인식하고 있지 않다.
따라서, 활물질 건식코팅 과정에서 이차전지의 출력 및 효율을 더욱 향상시키는 기술에 관한 연구개발 필요성이 크다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이차전지의 출력과 효율을 향상시킬 수 있는 활물질 건식 코팅장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 집전체에 건식 코팅재료로 활물질층을 형성하는 활물질 코팅장치로서, 소정의 간격으로 이격되어 인접하여 설치되고, 서로 다른 방향으로 회전하는 제1롤러 및 제2롤러와, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 활물질층 원재료를 공급하는 제1재료 공급부와, 제1롤러 및 제2롤러와 평행하게 설치되고, 서로 다른 방향으로 회전하며 소정의 간격으로 이격되어 인접하여 설치된 제3롤러 및 제4롤러와, 상기 제3롤러와 제4롤러 사이에 활물질층 원재료를 공급하는 제2재료 공급부를 포함하고, 상기 제2롤러의 회전속도는 상기 제1롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급된 활물질 원재료는 제2롤러의 표면에 섬유화되어 부착되고, 상기 제4롤러의 회전속도는 상기 제3롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급된 활물질 원재료는 제4롤러의 표면에 섬유화되어 부착되고, 상기 제2롤러의 표면에 부착된 섬유화막과 상기 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막은, 상기 제2롤러 및 제4롤러 사이를 통과하는 집전체의 양 표면에 라미네이팅되며, 상기 제2롤러 및 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막의 일부를 절단하기 위한 커터를 포함하는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 커터는 상기 제2롤러 또는 제4롤러의 하부에 설치되고, 롤러의 회전을 따라 이동하는 섬유화막의 이동경로를 따라 섬유화막을 절단할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 커터는 상기 제2롤러 또는 제4롤러의 양측에 각각 한쌍으로 설치되고, 상기 한쌍의 커터간의 간격이 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 커터는 상기 제2롤러 또는 제4롤러의 표면에 소정의 압력으로 접촉하는 탄성력을 가지도록 설치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 커터에 의해 절단된 섬유화막을 상기 제2롤러 또는 제4롤러의 표면에서 벗겨내는 스트리퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 집전체의 양면에 라미네이팅된 활물질층들은 서로 중첩된 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 커터가 제2롤러 또는 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막의 일부를 절단하기 전의 섬유화막의 끝단 위치 및 형태를 감지하기 위한 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 커터가 제2롤러 또는 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막의 일부를 절단한 후의 섬유화막의 끝단 위치 및 형태를 감지하기 위한 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 집전체에 라미네이팅된 활물질층의 끝단 위치를 감지하기 위한 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 커터는 제2롤러 또는 제4롤러의 길이 방향으로 이동이 가능하도록 설치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면,
상기 제2롤러 및 제4롤러는 길이 방향으로 위치가 제어될 수 있다.
본 발명의 활물질 코팅장치는 아래의 효과를 가진다.
1. 활물질층을 형성하는 원재료가 슬러리 형태가 아니고, 도전성 분말과 폴리머로 이루어진 건식재료이므로 용매의 증발에 의한 작업환경 오염 발생이 없고, 건조공정을 생략할 수 있어서 작업환경 개선 및 생산성 향상의 효과를 가진다.
2. 활물질 원재료가 섬유화되어 롤러의 표면에 부착되는 섬유화막의 끝 영역을 직선 형태로 커팅하여 서로 대응하는 활물질층간의 면적 및 영역이 완전히 중첩되도록 할 수 있고, 결과적으로 이차전지의 출력 및 효율 향상을 유도할 수 있다.
3. 양극, 음극 및 고체 전해질로 구성되는 단위전지가 복수층을 적층된 구조에서 각 단위전지간의 활물질 영역을 완전히 중첩시킬 뿐 아니라, 다른 단위전지 간의 활물질 영역도 함께 완전히 중첩시킬 수 있다.
4. 롤러에 부착된 섬유화막의 위치와 형상을 커팅 전 및 커팅 후에 감지하여 커팅 위치를 설정하고, 섬유화막이 집전체의 양면에 코팅되는 위치를 조절할 수 있도록 코팅롤러의 위치를 제어할 수 있다.
5. 섬유화막을 절단하는 커터의 측부에 스프리퍼를 설치하여 커팅된 섬유화막을 롤러의 표면에 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 활물질 코팅장치를 도시한 것이다.
도 2는 활물질 코팅장치에서 각 롤러의 상대적인 회전속도를 나타낸 것이다.
도 3은 활물질 코팅장치의 롤러 배치를 나타낸 것이다.
도 4는 건식 활물질 코팅장치에서 형성되는 활물질층의 단면 형상을 설명하기 위한 것이다.
도 5는 건식 활물질 코팅장치로 제조된 복수개의 단위전지가 적층된 전지 시스템에서 발생하는 활물질층의 미스 매칭 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 활물질 코팅장치를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 활물질 코팅장치에서 섬유화막의 절단이 이루어지는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 활물질 코팅장치에서 절단된 섬유화막의 분리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 활물질 코팅장치에 의해 제조된 전극체의 활물질 끝단 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 활물질 코팅장치에 적용되는 센서에 관한 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 활물질 코팅장치에 적용되는 커터 이송부를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 활물질 코팅장치를 이용하여 제조된 이차전지 시스템의 활물질 영역 매칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 13과 도 14는 본 발명의 활물질 코팅장치에서 각 롤러간의 간격을 조절하기 위한 구동부를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 활물질 코팅장치에서 코팅롤러의 길이방향 상대적 위치를 제어하기 위한 구동부를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 활물질 코팅장치에 의해 섬유화막의 섬유 배열 방향성을 분산시키는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 활물질 코팅장치에서 코팅롤러의 이송 제어에 의해 섬유화막의 섬유 배열 방향성을 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 섬유화막의 섬유 배열 방향성이 조절된 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 활물질 코팅장치에서 각 롤러의 상대적인 회전속도를 나타낸 것이다.
도 3은 활물질 코팅장치의 롤러 배치를 나타낸 것이다.
도 4는 건식 활물질 코팅장치에서 형성되는 활물질층의 단면 형상을 설명하기 위한 것이다.
도 5는 건식 활물질 코팅장치로 제조된 복수개의 단위전지가 적층된 전지 시스템에서 발생하는 활물질층의 미스 매칭 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 활물질 코팅장치를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 활물질 코팅장치에서 섬유화막의 절단이 이루어지는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 활물질 코팅장치에서 절단된 섬유화막의 분리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 활물질 코팅장치에 의해 제조된 전극체의 활물질 끝단 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 활물질 코팅장치에 적용되는 센서에 관한 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 활물질 코팅장치에 적용되는 커터 이송부를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 활물질 코팅장치를 이용하여 제조된 이차전지 시스템의 활물질 영역 매칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 13과 도 14는 본 발명의 활물질 코팅장치에서 각 롤러간의 간격을 조절하기 위한 구동부를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 활물질 코팅장치에서 코팅롤러의 길이방향 상대적 위치를 제어하기 위한 구동부를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 활물질 코팅장치에 의해 섬유화막의 섬유 배열 방향성을 분산시키는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 활물질 코팅장치에서 코팅롤러의 이송 제어에 의해 섬유화막의 섬유 배열 방향성을 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 섬유화막의 섬유 배열 방향성이 조절된 효과를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 집전체에 건식 코팅재료로 활물질층을 형성하는 활물질 코팅장치에 관한 것으로서, 소정의 간격으로 이격되어 인접하여 설치되고 서로 다른 방향으로 회전하는 제1롤러 및 제2롤러와, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 활물질층 원재료를 공급하는 제1재료 공급부와, 제1롤러 및 제2롤러와 평행하게 설치되고 서로 다른 방향으로 회전하며 소정의 간격으로 이격되어 인접하여 설치된 제3롤러 및 제4롤러와, 상기 제3롤러와 제4롤러 사이에 활물질층 원재료를 공급하는 제2재료 공급부를 포함하고, 상기 제2롤러의 회전속도는 상기 제1롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급된 활물질 원재료는 제2롤러의 표면에 섬유화되어 부착되고, 상기 제4롤러의 회전속도는 상기 제3롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급된 활물질 원재료는 제4롤러의 표면에 섬유화되어 부착되고, 상기 제2롤러의 표면에 부착된 섬유화막과 상기 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막은, 상기 제2롤러 및 제4롤러 사이를 통과하는 집전체의 양 표면에 라미네이팅되며, 상기 제2롤러 및 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막의 일부를 절단하기 위한 커터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한 본 명세서에서, '제1' 또는 '제2' 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
한편, 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 각 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명 시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 구성요소가 다른 구성요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 구성요소가 다른 구성요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 구성요소들 사이에 추가적인 구성요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
리튬 이차전지의 전극체는 집전체와 상기 집전체의 표면에 코팅된 활물질층으로 이루어진다. 이때 집전체는 충방전이 이루어지는 동안 전자가 이동하는 통로를 제공하고, 활물질층은 전해질에서 유입되고 방출되는 이온의 이동통로를 제공한다. 슬러리 형태의 활물질 원재료를 집전체에 코팅하는 기존의 습식 활물질 코팅에서는 집전체에 동일한 형상의 활물질층을 형성하고, 서로 마주보는 활물질층이 중접되도록 조절하는 것만으로 단위전지 또는 복수개의 단위전지가 적층된 전지 시스템에서 최적의 출력 및 효율 도출이 얻어졌다.
그러나 본 발명의 연구자들은 건식 활물질 코팅장치로 제조된 이차전지의 출력과 효율이 일정하게 유지되지 않는 현상에 관심을 가지게 되었고, 이는 대응하는 활물질층의 불완전한 중첩에 의해 기인한 현상인 것을 알게 되었다.
이러한 활물질층의 불완전한 중첩은 건식 활물질 코팅과정에서 발생하며, 구체적으로 활물질층을 형성하는 섬유화막 끝단의 비직진성에 기인한다. 종래의 습식 활물질 코팅은 슬러리 형태로 제조된 활물질 원재료를 스프레이 방식 등으로 코팅하기 때문에 형상의 제어가 용이하였고, 형상의 테두리 부분도 정밀한 형상, 예를 들면 직선 형태의 가공이 가능하였다.
그러나 도전성 입자와 폴리머로 이루어진 건식 활물질 코팅 원재료를 섬유화 과정에서 한쌍의 롤러가 사용되고, 롤러 사이에 공급되는 원재료의 입자크기, 분산 형태 등의 불균일성으로 인하여 집전체의 표면에 코팅되는 활물질층의 테두리 형상이 비정형적이 형상을 가지게 된다.
구체적으로, 건식 활물질 코팅장치는 서로 다른 회전속도로 회전하는 한쌍의 롤러 사이로 공급되는 원재료에 포함된 폴리머를 전단력에 의해 섬유화하고, 섬유화된 폴리머 사이의 공간에 도전성 입자들이 분산되어 고정되는 원리로 코팅을 구현한다. 이때 전단력 부여 과정에서 폴리머 입자들은 비정형적인 형상의 변화가 이루어질 수 밖에 없으므로 섬유화된 막의 끝단이 비정형성을 가지게 된다. 예를 들면, 직선 형태로 활물질층의 테두리를 형성하고자 하는 경우에도 테두리의 형상은 규칙성을 가지지 않는 지그재그 형태로 이루어질 수밖에 없는 것이다.
이러한 활물질층 끝단의 비정형성은 마주보는 활물질층간의 불완전한 중첩을 유발할 수밖에 없으며 이는 이차전지의 출력 및 효율 저하를 유발한다.
본 발명의 활물질 코팅장치는 활물질 원재료가 섬유화되어 만들어지는 섬유화막의 끝단을 원하는 형상으로 가공하는 목적으로 한다.
이를 위한 수단은 활물질이 섬유화되어 부착되는 코팅롤러의 표면에서 섬유화막의 일부를 절단하고, 이를 롤러의 표면에서 제거하여 정형화된 형상을 제어된 섬유화막을 집전체의 표면에 결합시키는 것이다.
참고로 본 발명에서 '섬유화막'이라는 용어는 도전입자와 폴리머 입자로 이루어진 활물질 원재료를 서로 다른 회전속도로 회전하는 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 폴리머를 섬유화시킨 막을 의미하며, 활물질 코팅 과정에서는 아직 집전체에 코팅되기 전 단계의 막을 의미하는 것으로 사용한다. 반면에 활물질층은 상기 섬유화막이 롤러의 표면에서 집전체 표면으로 전사된 형태를 의미하는 것으로 사용한다.
본 발명의 활물질 코팅장치에서 중요한 또 하나의 구성은 섬유화막 또는 활물질층의 테두리 형상을 감지하기 위한 센서이다. 상기 센서는 이미지를 획득하는 비젼 카메라, 광발생부와 광수집주로 구성되는 광센서 등으로 구성될 수 있고, 이미지 분석을 위한 분석부를 추가로 포함할 수 있다. 상기 센서는 섬유화된 직후의 섬유화막의 테두리부, 커팅이 이루어진 후의 섬유화막이 테두리부 및 집전체에 코팅된 활물질층의 테두리부를 감지하고, 이를 분석하여 커터와 코팅롤러, 서로 마주보는 코팅롤러의 길이방향 상대 위치를 조절하는 제어부와 연동될 수 있고, 집전체를 공급하는 롤러의 위치를 조절하는 제어부와도 함께 연동될 수 있다. 상기 센서로 수집한 섬유화막 또는 활물질층의 위치정보를 이용하여 각 제어부가 커터 및 롤러의 위치를 조절하여 집전체의 양면에 코팅되는 활물질층의 위치가 정확히 오버랩 되도록 제어할 수 있고, 하나의 집전체에 코팅되는 활물질층의 위치를 서로 다른 집전체에 코팅되는 활물질층의 위치와도 일치하도록 하여 복수개의 단위전지가 적층된 전지 시스템 전체에서 활물질층의 위치와 형상이 완전히 오버랩 되도록 제어할 수 있다.
아래에서 도면을 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 활물질 코팅장치를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 활물질 코팅장치(1000)는 제1롤러(110a), 제2롤러(120a), 제3롤러(120a), 제4롤러(120b)를 포함한다. 제1롤러(110a)와 제2롤러(120a)는 서로 소정의 간격으로 이격되어 있으며, 그 사이로 활물질층 원재료(200)가 공급된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 활물질층 원재료(200)를 안정적으로 공급하기 위한 재료 공급부를 포함할 수 있고, 제1롤러와 제2롤러 사이에 형성된 재료 공급부를 제1재료 공급부, 제3롤러와 제4롤러 사이에 형성된 재료 공급부를 제2재료 공급부를 부를 수 있다. 재료 공급부는 일정량의 활물질층 원재료를 저장하는 공간을 포함하고, 하부로 갈수록 부피가 작아지는 호퍼 형태로 이루어질 수 있고, 재료의 이송 여부 및 이송량을 조절할 수 있는 공급량 조절부를 추가로 포함할 수 있다. 활물질층 원재료(200)는 탄소계 등의 도전입자와 테플로계 등의 폴리머 입자가 균일하게 혼합된 구성을 가지며, 제1롤러와 제2롤러 사이로 공급된 활물질층 원재료는 제1롤러와 제2롤러 사이에서 전단력을 받아 섬유화되고, 섬유화된 폴리머 사이의 공간에 도전입자들이 분산되어 섬유화막(210)을 형성하면서 제2롤러 및 제4롤러의 표면에 부착된다. 이때 상기 제1롤러 ~ 제4롤러는 섬유화 및 라미네이팅을 위하여 소정의 온도로 가열될 수 있다. 상기 제1롤러 ~ 제4롤러의 하부에는 집전체(300)를 공급하기 위한 별도의 집전체 이송수단이 구비되고, 상기 집전체 이송수단을 한쌍의 롤러로 이루어질 수 있다. 집전체(300)는 제2롤러와 제4롤러 사이의 공간으로 공급되며, 제2롤러와 제4롤러에 부착된 섬유화막(210)은 집전체(300)의 양면에 라미네이팅되어 전사된다.
본 명세서에서는 제1롤러와 제3롤러는 원재료의 섬유화 과정에 참여하므로 섬유화롤러라고 칭할 수도 있고, 제2롤러와 제3롤러는 표면에 부착된 섬유화막을 집전체로 전사시키는 기능을 하므로 코팅롤러라고 칭할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 활물질 코팅장치에서 각 롤러의 상대적인 회전속도를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 제1롤러의 회전속도인 V1은 제2롤러의 회전속도인 V2보다 느리며, 제3롤러의 회전속도인 V4는 제4롤러의 회전속도인 V3보다 느리다. 이러한 회전속도 차이는 활물질층 원재료에 포함된 폴리머 입자가 일 방향으로 전단력을 받으면서 섬유화되는 것을 유도하며, 섬유화된 폴리머들은 회전방향을 따라 일방향으로 배치된 섬유 배열을 이루게 된다.
도 3은 활물질 코팅장치의 롤러 배치를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하며, 제1롤러, 제2롤러, 제3롤러 및 제4롤러는 서로 평행하게 순차적으로 배치되어 있고, 각각의 롤러 사이의 간격을 조절할 수 있는 수단이 추가로 구비될 수 있다.
도 4는 건식 활물질 코팅장치에서 형성되는 활물질층의 단면 형상을 설명하기 위한 것이다. 도 4를 참조하면, 제1롤러(110a)와 제2롤러(120a) 사이에 공급된 활물질층 원재료는 제2롤러(120a) 표면에 섬유화막(210)의 형태로 부착되었다가, 집전체(300)의 표면으로 활물질층(220)을 형성하면서 코팅된다. 앞서 설명한 바와 같이 롤러에 의해 부여되는 전단력으로 활물질층 원재료를 섬유화하는 건식 활물질 코팅장치에서 제2롤러의 표면에 형성되는 섬유화막의 끝단 형상이 지그재그 형태로 이루어지며, 그 결과 집전체(300)의 표면에 형성되는 활물질층(220)의 끝단(220a) 형상도 이를 따라 지그재그 형태로 이루어질 수밖에 없다. 이러한 활물질층의 끝단 형상은 단위전지 또는 전지 시스템에서의 활물질층 미스매치를 발생시키게 된다. 본 명세서에서 활물질층의 미스매치란 일접하여 서로 바라보는 활물질층의 중첩이 완전하지 않아서 끝단간의 위치가 서로 벗어나 배치되는 것을 의미한다.
도 5는 건식 활물질 코팅장치로 제조된 복수개의 단위전지가 적층된 전지 시스템에서 발생하는 활물질층의 미스 매칭 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 집전체(300)의 양면에 활물질층(200)이 형성되어 있고, 활물질층이 코팅된 복수개의 집전체가 적층되어 있다. 이때 인접한 집전체에 형성된 활물질층은 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 교대로 형성되어 있을 수 있고, 그 사이의 공간에는 액체 전해질 또는 고체 전해질이 충진될 수 있다. 이때, 건식 활물질 코팅장치로 형성된 활물질층의 끝단은 지그재그 형상을 가지고 있으므로, 확대한 도면에서 확인할 수 있듯이 마주보는 활물질층은 서로 d1의 간격으로 미스 매칭되어 있다. 도면에서는 나타내지 않았지만, 하나의 집전체 양면에 형성되는 활물질층간의 미스매칭도 함께 발생하며 이는 서로 바라보는 활물질층간의 미스 매칭으로 이어지게 된다.
도 6은 본 발명의 활물질 코팅장치를 나타낸 것이다. 도 6의 (가)를 참조하면, 제1롤러~제4롤러, 활물질층 원재료, 집전체 등에 관한 구성은 도 1과 동일하고, 제2롤러(120a) 및 제4롤러(120b)의 하부에 각각 커터(130a, 130b)가 설치된 것이 차이가 있다. 커터(130a, 130b)는 제2롤러와 제4롤러의 하부에 형성되는 것이 바람직한데, 이는 상부에서 공급되는 활물질층 원재료가 롤러 사이를 통과해서 롤러의 하부 영역에서 섬유화막을 형성하기 때문이다. 도 6의 (나)를 참조하면, 커터(130a, 130b)는 제2롤러(120a)의 양측에 설치되어 있고, 제2롤러의 표면에 부착된 섬유화막(210)의 끝단 영역에서 섬유화막(210)의 일부를 절단하는 기능을 하게 된다.
도 7은 본 발명의 활물질 코팅장치에서 섬유화막의 절단이 이루어지는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 7을 참조하면, 커터(130a)는 롤러의 길이방향으로 섬유화막(210)의 끝 부분 영역에 위치하고, 섬유화막(210)을 절단할 수 있도록 제2롤러(120a)에 맞닿는 날카로운 칼날부를 포함할 수 있다. 이때 커터(130a)의 칼날부가 롤러의 표면을 손상시키는 것을 방지하기 위해서 커터의 칼날부가 롤러의 재질보다 상대적으로 낮은 경도를 가지는 재질로 이루어질 수 있고, 커터가 롤러의 표면 방향으로 탄성력을 받으면서 일정한 압력으로 누르기 위한 탄성부를 추가로 포함할 수 있다. 커터의 칼날부는 날카로운 돌기 형태로 이루어질 수 있고, 회전 가능하고 날카로운 테두리를 가지는 원형 칼날의 형태로 이루어질 수도 있다. 커터의 재질, 탄성부 및 원형 칼날은 모두 섬유화막을 절단하는 과정에서 롤러의 표면에 손상을 가하는 것을 방지하기 위함이다. 커터(130a)의 측부에는 스트리퍼(140)가 추가로 형성될 수 있다. 스트리퍼는 절단되는 섬유화막(210a)의 영역에 형성되고, 절단된 섬유화막을 롤러의 표면에서 분리하는 기능을 한다. 스트리퍼(140)는 반드시 날카로운 끝 형상을 가질 필요는 없는데, 이는 한번 절단되어 분리된 섬유화막은 스트리퍼의 상부면을 따라 지속적으로 섬유화막을 롤러의 표면으로부터 분리할 수 있기 때문이다. 도 8의 (나)에 도시한 바와 같이, 섬유화막의 분리를 위해 최초에는 롤러의 표면에 접촉한 스트리퍼 끝단이, 섬유화막의 분리가 시작되면 스트리퍼(140)가 롤러 표면으로 이격되도록 설계할 수 있다.
도 9는 본 발명의 활물질 코팅장치에 의해 제조된 전극체의 활물질 끝단 형상을 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 도 6 ~ 도 8에 도시한 활물질 코팅장치를 이용하여 집전체에 코팅된 활물질층의 끝단은 의도된 정형화된 형상, 예를 들면 롤러의 길이와 수직한 직선 형태로 코팅될 수 있다. 이와 같이 제조된 전극체는 도 12에 도시한 바와 같이 하나의 집전체 양면에 동일한 형상과 위치에 활물질층이 형성되며, 이렇게 제조된 집전체들을 얼라인하여 적층하면 적층된 모든 활물질층 끝단(220a, 220a')이 모두 완전히 중첩된 형태로 적층될 수 있고, 이는 단위전지 또는 전지 시스템의 출력 향상 및 효율 증가로 이어질 수 있다.
본 발명의 활물질 코팅장치를 이용하여 활물질층을 완전히 매칭시키기 위한 수단은 커터, 위치센서를 포함하고, 추가로 커터의 이송부와 롤러의 이송부를 포함한다.
도 10은 본 발명의 활물질 코팅장치에 적용되는 센서에 관한 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 활물질 코팅장치는 제1롤러~제4롤러, 활물질층 원재료, 집전체, 커터 등에 관한 구성은 도 6의 (가)와 동일하고, 센서에 관한 구성을 추가로 포함한다. 센서는 이미지 획득을 위한 비젼 카메라 센서 또는 광발생부와 광입사부를 가지는 광센서로 구성될 수 있다.
제1센서(S1a, S1b)는 각각 제2롤러(120a)와 제4롤러(120b)의 하부에 설치되고, 제2롤러 및 제4롤러의 회전경로에서 커터(130a, 130b)와 섬유화막이 맞닿기 전의 위치에서 섬유화막의 끝단 형상 또는 위치를 감지한다. 도면에는 표시되지 않았지만, 제1센서(S1a, S1b)는 제2롤러와 제4롤러의 양측에 각각 설치될 수 있다. 제1센서(S1a, S1b)는 커터에 의해 섬유화막이 절단되기 전의 섬유화막 끝단 형상과 위치를 감지하여 커터(130a, 130b) 또는 롤러(120a, 120b)의 위치를 조절하기 위한 수단이다. 제1센서가 감지한 섬유화막 끝단이 직선 형태로 절단될 수 있도록 커터와 섬유화막의 상대적 위치를 조절하게 되고, 이를 위해 제1센서의 위치정보를 이용하여 커터 또는 롤러의 위치를 조절하는 콘트롤부와 이송부를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 롤러의 양측에 설치된 각각의 커터는 동일한 간격을 유지하는 것이 바람직한데, 이는 집전체에 코팅되는 활물질층의 폭을 동일하게 유지하기 위함이다.
제2센서(S2a, S2b)는 각각 제2롤러(120a)와 제4롤러(120b)의 하부에 설치되고, 제2롤러 및 제4롤러의 회전경로에서 커터(130a, 130b)가 섬유화막을 절단한 후의 위치에서 섬유화막의 끝단 형상 또는 위치를 감지한다. 제2센서에서 수집된 정보는 절단이 정상적으로 이루어졌는지 여부를 판단하는 이미지 분석 과정에 이용될 수 있고, 비정상적인 절단이 발생할 경우에는 알람의 발생 또는 장비의 정지가 이루어질 수 있다. 제2센서(S2a, S2b)는 집전체(300)의 위치를 감지하는 제4센서(미도시)와 연동하여 집전체를 이송하는 이송롤러의 위치를 조절하여 집전체의 공급경로를 조절하거나, 제2롤러(120a) 또는 제4롤러(120b)의 위치를 조절하여 섬유화막을 집전체로 전사하는 공급경로를 조절할 수 있다. 이를 위해 센서의 위치정보를 분석하여 최적 공급경로를 도출하는 콘트롤부와 롤러 이동부를 추가로 포함할 수 있다.
제3센서(S3a, S3b)는 집전체의 양면에 코팅된 활물질층의 형상과 위치를 감지하는 기능을 한다. 제3센서는 제2롤러와 제4롤러를 통과한 집전체의 양측에, 롤러의 양측에 각각 설치될 수 있다. 집전체의 양면에 코팅된 활물질층에서 각각 감지된 센싱 정보는 서로의 활물질층이 완전히 동일한 위치로 오버랩되는지를 판단하게 되고, 이상 발생시 알람의 발생 또는 공정을 중단을 발생시킨다.
도 11은 본 발명의 활물질 코팅장치에 적용되는 커터 이송부를 설명하기 위한 도면이다. 도 11을 참조하면, 커터(130a)와 제2롤러(120a)의 상대적 위치를 조절하기 위하여 커터는 커터 이송부(150)와 결합될 수 있고, 상기 커터 이송부(150)에는 스트리퍼(140)가 함께 결합될 수도 있다. 커터 이송부(150)는 제2롤러의 길이 방향으로 움직일 수 있고, 커터가 롤러의 표면에 접근하거나 멀어지는 방햐으로 움직일 수도 있다.
도 13과 도 14는 본 발명의 활물질 코팅장치에서 각 롤러간의 간격을 조절하기 위한 구동부를 설명하기 위한 도면이다. 도 13을 참조하면, 제1롤러(110a)와 제3롤러(110b)에는 롤러의 길이방향과 수직한 방향으로 롤러를 이송시켜 롤러간의 간격을 조절하기 위한 실린더(510a, 522)가 각각 결합될 수 있다. 각각의 실린더는 제1롤러와 제3롤러의 밀거나 당겨서 제1롤러와 제2롤러의 간격(d3)과, 제3롤러와 제4롤러의 간격(d4)을 조절할 수 있다. 제3롤러(110b)와 제4롤러(120b)는 결합부(520)으로 연결될 수 있고, 구동부(521)가 결합부를 롤러의 길이와 수직방향으로 제어하여 제2롤러(120a)와 제4롤러(120b) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
도 15는 본 발명의 활물질 코팅장치에 의해 섬유화막의 섬유 배열 방향성을 분산시키는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 15를 참조하면, 제1롤러는 결합부(550)에 설치된 롤러 길이방향 이송부인 리니어 스테이지에 의해 길이방향으로 위치가 제어될 수 있다. 또, 제3롤러도 결합부(540)에 설치된 롤러 길이방향 이송부인 리니어 스테이지에 의해 길이방향으로 위치가 제어될 수 있다. 제2롤러의 위치가 고정된 상태에서 제1롤러의 길이방향 위치가 변화되면 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급되는 활물질층 원재료에 가해지는 전단력을 롤러의 회전방향에서 일부 변경할 수 있다. 또한, 제4롤러의 위치가 고정된 상태에서 제3롤러의 길이방향 위치가 변화되면 제3롤러와 제4롤러 사이에 공급되는 활물질층 원재료에 가해지는 전단력을 롤러의 회전방향에서 일부 변경할 수 있다. 이와 같은 전단력 부여 방향을 변경은 섬유화막의 섬유 배열 상태를 변화시킬 수 있다.
도 16은 본 발명의 활물질 코팅장치에서 코팅롤러의 이송 제어에 의해 섬유화막의 섬유 배열 방향성을 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 15에서 설명한 바와 같이 마주보는 한쌍의 코팅롤러의 상대적 길이방향 위치를 조절하면 섬유화막의 섬유배열을 직선 형태(롤러의 회전방향)에서 배향성이 완화된 형태로 변경할 수 있다. 도 16을 참조하면, 코팅롤러의 위치 변경 패턴에 따라 수직방향으로 배향된 섬유들을 다양한 형태로 배열을 유도할 수 있다.
도 17은 섬유화막의 섬유 배열 방향성이 조절된 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 17을 참조하면, 활물질층은 도전입자와 섬유화된 폴리머 섬유를 포함한느데, 왼쪽에 도시한바와 같이 섬유가 수직방향으로만 배열된 경우에 비하여 오늘쪽에 도시한바와 같이 섬유의 수직방향 배열이 부분적으로 흐트러진 형태가 되면 도전입자와 섬유간의 결합이 보다 견고해서 활물질층의 막질이 보다 견고해질 수 있다. 구체적으로, 섬유화막의 섬유 구조의 이방성이 수평 방향으로 분산될 경우, 섬유 구조의 네트워크가 강화되어 섬유화 막의 인장강도가 향상될 수 있다. 또한 건식 코팅재료가 탄소 소재를 포함할 경우, 강화된 섬유 구조 네트워크에 의해 탄소 소재 간의 접촉 면적이 높아지고, 이로 인해 섬유화막이 집전체 상에 결합되어 형성되는 전극활물질층의 전기전도도가 높아질 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현예를 이용하여 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000 : 활물질층 코팅장치
110a : 제1롤러
120a : 제2롤러 110b : 제3롤러
120b : 제4롤러 130a, 130b : 커터
140 : 스트리퍼 150 : 커터 이송부
200 : 활물질층 원재료 210 : 섬유화막
210a : 스트립 막 220 : 활물질층
220a, 220a' : 활물질층 끝단 300, 300' : 집전체
510a, 520a, 522 : 실린더 520, 540 : 결합부
521 : 구동부 S1a, S1b : 제1센서
S2a, S2b : 제2센서 S3a, S3b : 제3센서
120a : 제2롤러 110b : 제3롤러
120b : 제4롤러 130a, 130b : 커터
140 : 스트리퍼 150 : 커터 이송부
200 : 활물질층 원재료 210 : 섬유화막
210a : 스트립 막 220 : 활물질층
220a, 220a' : 활물질층 끝단 300, 300' : 집전체
510a, 520a, 522 : 실린더 520, 540 : 결합부
521 : 구동부 S1a, S1b : 제1센서
S2a, S2b : 제2센서 S3a, S3b : 제3센서
Claims (11)
- 집전체에 건식 코팅재료로 활물질층을 형성하는 활물질 코팅장치에 있어서,
소정의 간격으로 이격되어 인접하여 설치되고, 서로 다른 방향으로 회전하는 제1롤러 및 제2롤러;
상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 활물질층 원재료를 공급하는 제1재료 공급부;
제1롤러 및 제2롤러와 평행하게 설치되고, 서로 다른 방향으로 회전하며 소정의 간격으로 이격되어 인접하여 설치된 제3롤러 및 제4롤러; 및
상기 제3롤러와 제4롤러 사이에 활물질층 원재료를 공급하는 제2재료 공급부;를 포함하고,
상기 제2롤러의 회전속도는 상기 제1롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급된 활물질 원재료는 제2롤러의 표면에 섬유화되어 부착되고,
상기 제4롤러의 회전속도는 상기 제3롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제1롤러와 제2롤러 사이에 공급된 활물질 원재료는 제4롤러의 표면에 섬유화되어 부착되고,
상기 제2롤러의 표면에 부착된 섬유화막과 상기 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막은, 상기 제2롤러 및 제4롤러 사이를 통과하는 집전체의 양 표면에 라미네이팅되며,
상기 제2롤러 및 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막의 일부를 절단하기 위한 커터를 포함하는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 커터는 상기 제2롤러 또는 제4롤러의 하부에 설치되고, 롤러의 회전을 따라 이동하는 섬유화막의 이동경로를 따라 섬유화막을 절단하는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 커터는 상기 제2롤러 또는 제4롤러의 양측에 각각 한쌍으로 설치되고, 상기 한쌍의 커터간의 간격이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 커터는 상기 제2롤러 또는 제4롤러의 표면에 소정의 압력으로 접촉하는 탄성력을 가지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 커터에 의해 절단된 섬유화막을 상기 제2롤러 또는 제4롤러의 표면에서 벗겨내는 스트리퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 집전체의 양면에 라미네이팅된 활물질층들은 서로 중첩된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 커터가 제2롤러 또는 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막의 일부를 절단하기 전의 섬유화막의 끝단 위치 및 형태를 감지하기 위한 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 커터가 제2롤러 또는 제4롤러의 표면에 부착된 섬유화막의 일부를 절단한 후의 섬유화막의 끝단 위치 및 형태를 감지하기 위한 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 집전체에 라미네이팅된 활물질층의 끝단 위치를 감지하기 위한 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 커터는 제2롤러 또는 제4롤러의 길이 방향으로 이동이 가능하도록 설치된 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2롤러 및 제4롤러는 길이 방향으로 위치가 제어되도록 하는 것을 특징으로 하는 활물질 코팅장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210154102A KR20230068117A (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 활물질 코팅장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210154102A KR20230068117A (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 활물질 코팅장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230068117A true KR20230068117A (ko) | 2023-05-17 |
Family
ID=86547564
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210154102A KR20230068117A (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 활물질 코팅장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230068117A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200020702A (ko) | 2017-05-16 | 2020-02-26 | 프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베. | 드라이 필름의 제조방법, 롤링 장치, 드라이 필름 및 드라이 필름으로 코팅된 기판 |
-
2021
- 2021-11-10 KR KR1020210154102A patent/KR20230068117A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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| KR20200020702A (ko) | 2017-05-16 | 2020-02-26 | 프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베. | 드라이 필름의 제조방법, 롤링 장치, 드라이 필름 및 드라이 필름으로 코팅된 기판 |
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