KR20240030994A - 슬라이딩부 프로파일 개선을 위한 심, 이를 포함하는 슬롯 다이 코터 및 이를 이용한 이차전지용 전극판 제조 방법 - Google Patents

슬라이딩부 프로파일 개선을 위한 심, 이를 포함하는 슬롯 다이 코터 및 이를 이용한 이차전지용 전극판 제조 방법 Download PDF

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

슬라이딩부 프로파일 개선을 위한 심과 이를 포함하는 슬롯 다이 코터를 제공한다. 본 발명의 심은, 슬롯 다이 코터의 하부 다이 블록과 상부 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하고 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 코팅액을 토출하도록 하기 위한 심으로서, 베이스가 되는 제1 부분과 상기 제1 부분에서부터 연장되는 적어도 2개의 제2 부분을 포함하며, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 같은 측에 연결되고 동일 방향으로 연장되고, 상기 제2 부분 사이가 개방부로 정의되고, 상기 개방부를 통하여 상기 코팅액을 토출하며, 상기 개방부의 일단의 폭이 상기 개방부의 타단의 폭보다 커져서 상기 코팅액의 유량이 증가되는 유량 증가부가 상기 제1 부분에 인접한 상기 심의 내측에 형성된 것이다.

Description

슬라이딩부 프로파일 개선을 위한 심, 이를 포함하는 슬롯 다이 코터 및 이를 이용한 이차전지용 전극판 제조 방법{Shim for improving sliding profile, slot die coater including the same and manufacturing method for electrode plate of secondary battery using the same}
본 발명은 이차전지용 전극판 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전극 활물질 슬러리를 집전체에 코팅하는 데에 이용될 수 있는 슬롯 다이 코터, 이러한 슬롯 다이 코터에 포함되는 부품인 심(shim), 그리고 이러한 슬롯 다이 코터를 이용한 이차전지용 전극판 제조 방법에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 발전 요소인 전극 조립체를 필수적으로 포함하고 있다. 전극 조립체는, 양극판, 분리막 및 음극판이 적어도 1회 이상 적층된 형태를 가지며, 양극판과 음극판은 각각 알루미늄 포일과 구리 포일로 이루어진 집전체에 양극 활물질 슬러리 및 음극 활물질 슬러리가 도포, 건조 및 압연되어 제조된다. 이차전지의 충방전 특성을 균일하게 하기 위해서는, 이러한 양극 활물질 슬러리 및 음극 활물질 슬러리가 집전체에 고르게 코팅되어야 하며, 종래부터 슬롯 다이 코터를 이용하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 슬롯 다이 코터의 이용 예를 도시한 모식도이다.
도 1을 참조하면, 종래에는 슬롯 다이 코터(30)를 이용하여 집전체(20)에 전극 활물질 슬러리를 코팅함으로써 전극판을 제조하는 방법에 의하고 있다. 이 방법에서는, 코팅 롤(10)에 의해 이송되는 집전체(20) 위에 슬롯 다이 코터(30)로부터 토출된 전극 활물질 슬러리를 도포하게 된다. 슬롯 다이 코터(30)에서 토출된 전극 활물질 슬러리는 집전체(20)의 일 면에 넓게 도포되어 전극 활물질층을 형성한다. 슬롯 다이 코터(30)는 2개의 다이 블록(32, 34)를 포함하고 2개의 다이 블록(32, 34) 사이에 심(50)을 개재하여 슬롯을 형성한 것으로, 슬롯과 연통된 토출구(40)를 통해 전극 활물질 슬러리를 토출하여 전극 활물질층을 형성할 수가 있다.
집전체(20) 위에 코팅되는 전극 활물질층의 코팅 폭은 슬롯의 폭에 의해 결정된다. 코팅 폭의 변경이 필요할 경우, 슬롯의 폭을 결정하는 심(50)을 변경하여 다양한 코팅 폭을 구현할 수 있다. 특히 전극판의 안전성 확보를 위해서는 무엇보다 전극 활물질 슬러리가 집전체(20)에 고르게 분포될 수 있도록 도포되어야 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 심의 평면도이다.
도 2와 같은 심(60)에서는 심살(62)이 일자형으로 되어 있다. 심살(62) 사이의 간격(W)은 심(60)의 전방 또는 후방에 관계없이 일정하며, 이러한 간격(W)이 코팅 폭을 결정한다. 이러한 심(60)에 의해서는 2개의 심살(62) 사이에 형성되는 4개의 레인(lane)을 따라 스트라이프형으로 4개의 전극 활물질층 패턴을 집전체 위에 동시에 형성할 수 있다. 이후 인접한 두 전극 활물질층 패턴 사이의 무지부를 따라 슬리팅(slitting)하여 각각을 전극판으로 활용할 수 있다. 그런데 전극 활물질 슬러리는 유체이기 때문에, 코팅 후 흘러내리는 성질을 가지고 있고, 전극 활물질 슬러리가 흘러내리는 것을 슬라이딩(sliding)이라 한다.
도 3은 집전체의 일 면에 전극 활물질 슬러리가 코팅된 전극판 단면의 일부를 나타내고 있으며 슬라이딩이 발생한 상태를 도시하고 있다.
도 3은 예를 들어, 도 2의 심(60)을 도 1의 슬롯 다이 코터(30)에 심(50) 대신에 장착하여 집전체(20) 상에 전극 활물질층 패턴(70)을 형성한 다음, 집전체(20)의 이송 방향에 수직한 폭 방향 단면을 보여주는 것이다.
도 3을 참조하면, 집전체(20) 상에 전극 활물질층 패턴(70)이 형성되어 있는데, 전극 활물질층 패턴(70)의 에지(edge)부에서 전극 활물질 슬러리의 일부가 흘러내려 전극 활물질층 패턴(70)의 두께가 사이드로 갈수록 점차 얇아지는 슬라이딩 현상이 나타나고 있다. 참조부호 S는 슬라이딩부를 가리킨다.
이러한 슬라이딩은 전극 활물질 슬러리가 코팅된 부분인 유지부 폭 방향의 양측 단부에서 빈번하게 발생할 수 있으며, 슬라이딩으로 인해 로딩 불균일이 일어난다. 그리고, 슬라이딩은 압연시 불균일을 유발하고, 나아가 음극 활물질층과 양극 활물질층의 대면 비율인 NP 비(ratio)가 설계 조건을 만족하지 못하는 결과를 초래한다.
특히 도 2에 도시한 바와 같은 심(60)을 이용하면, 코팅의 평탄 구간에서의 양극-음극간의 방전 용량 비율은 설계치와 동일하게 유지되나, 양극판의 코팅층 에지부와 음극판의 코팅층 에지부가 대면하는 위치에서는 슬라이딩부가 형성되어 방전 용량 비율이 틀어지며 안정성에 취약해지는 문제도 발생한다. 이와 같은 이유로, 전극 활물질 슬러리 코팅 공정에서는 슬라이딩을 제어해야 할 필요가 있으며, 특히 슬롯 다이 코터를 통한 스트라이프 패턴 코팅 시 경계면(슬라이딩 부)의 형상 제어에 대한 관리가 필요하고, 특히 슬라이딩 길이를 관리하여야 한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전극 프로파일에서 슬라이딩부(S)의 일반적인 형상은 코팅부가 시작되는 지점(Ps)에서부터의 폭 거리가 증가할수록 두께가 증가하다가 일정 폭 거리 이상에서는 두께 증가율이 점점 감소하면서 두께가 거의 증가하지 않은 평탄한 개형을 가지며 일정값으로 수렴되는 형상에 가깝다. 슬라이딩 길이(SL)는 코팅부가 시작되는 지점(Ps)에서부터 슬라이딩이 종료되는 지점(Pe)까지의 폭 거리라고 정의할 수 있다. 슬라이딩이 종료되는 지점(Pe)은 전극 프로파일에서 평탄화가 시작되는 지점이라고 할 수 있다. 예를 들어 목표로 하는 코팅층 두께(H)에 도달하거나 소정 % 범위 내로 가까운 지점이라고 할 수 있다.
그런데, 이차전지용 전극판 제조 방법에서는, 집전체의 양면을 활용하기 위하여, 집전체의 탑(top)면에 먼저 전극 활물질층을 코팅하고 백(back)면에 전극 활물질층을 코팅하는, 이른 바 순차 코팅 방식에 의하는 경우가 있다. 이 때, 탑면이 백면에 비해 슬라이딩 길이(SL)가 긴 경향이 있다. 따라서, 동일한 심을 포함하는 슬롯 다이 코터를 가지고 순차 코팅을 해도 탑면의 전극 품질 저하가 유발되어 문제가 된다. 또한, 탑면 에지부의 슬라이딩은 백면 코팅시 집전체를 뒤집을 때 집전체가 꺼지는 부위를 만들기 때문에 백면 코팅시 에지부에 전극 활물질 슬러리 쏠림이 발생하는 바, 공정 종료 후 백면의 에지부가 위로 볼록 돌출되는 사이드 링(side ring) 현상이 특히 문제가 될 수 있다. 그러므로 전극 활물질 슬러리 순차 코팅시 탑면과 백면 동시 관리도 필요하다.
이와 같이 슬롯 다이 코터를 이용한 전극 활물질 슬러리 코팅에서는 슬라이딩이 필수적으로 관리되어야 하며, 슬라이딩 발생 여부는 레인내 폭 방향 두께 편차로 알 수 있다. 목표한 셀 용량을 안정적으로 구현하기 위해서는 레인내 코팅 로딩을 개선하여 두께 편차를 개선할 필요가 있다. 따라서, 해당 분야에서는 전극 활물질 슬러리 코팅 시 폭 방향을 따른 로딩량 제어 가능한 기술이 요구된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 슬라이딩부 프로파일 개선을 위한 심을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 이와 같이 개선된 심을 포함하는 슬롯 다이 코터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 집전체의 탑면과 백면에 순차적으로 전극 활물질 슬러리를 코팅할 때에 탑면과 백면의 슬라이딩을 모두 관리할 수 있는 이차전지용 전극판 제조 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 심은, 슬롯 다이 코터의 하부 다이 블록과 상부 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하고 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 코팅액을 토출하도록 하기 위한 심으로서, 베이스가 되는 제1 부분과 상기 제1 부분에서부터 연장되는 적어도 2개의 제2 부분을 포함하며, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 같은 측에 연결되고 동일 방향으로 연장되고, 상기 제2 부분 사이가 개방부로 정의되고, 상기 개방부를 통하여 상기 코팅액을 토출하며, 상기 개방부의 일단의 폭이 상기 개방부의 타단의 폭보다 커져서 상기 코팅액의 유량이 증가되는 유량 증가부가 상기 제1 부분에 인접한 상기 심의 내측에 형성된 것이다.
상기 심은 상기 유량 증가부를 형성하도록 상기 제2 부분의 폭이 상기 내측 방향으로 차등 구성될 수 있다.
상기 심은 상기 유량 증가부를 형성하도록 상기 제2 부분의 적어도 일측에 테이퍼 형상이 적용되어 있을 수 있다.
상기 심은 상기 제2 부분을 3개 이상 포함하여, 양측 가장자리에 포함되는 사이드 제2 부분과, 상기 사이드 제2 부분 사이에 포함되는 센터 제2 부분을 포함하고, 상기 센터 제2 부분은 양측에 상기 테이퍼 형상이 적용되어 있을 수 있다.
상기 제2 부분의 폭은 상기 개방부의 타단에서부터 상기 내측 방향으로 제1 위치까지는 제1 폭으로 일정하고 경사면에 의해 상기 내측 방향으로 제2 위치까지 제2 폭으로 감소하여 상기 제1 부분까지 상기 제2 폭으로 일정할 수 있다.
이 때, 상기 제1 폭 : 상기 제2 폭은 10 : 6.1-6.9일 수 있다.
상기 제1 폭 : 상기 심의 끝단에서 상기 제1 위치까지의 길이는 5 : 1.5-2.5일 수 있다.
상기 경사면의 각도는 25-70도일 수 있다.
상기 제1 위치까지 상기 심의 하측면 일부가 내입되어 단차부를 형성할 수도 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 슬롯 다이 코터는, 본 발명에 따른 심을 포함한다.
이러한 슬롯 다이 코터는, 하부 다이 블록과 상부 다이 블록; 상기 하부 다이 블록과 상부 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심; 및 상기 상부 다이 블록 및 하부 다이 블록 중 적어도 어느 하나에 구비되며 코팅액을 수용하는 매니폴드를 포함하여, 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 기재 상에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 심은, 베이스가 되는 제1 부분과 상기 제1 부분에서부터 연장되는 적어도 2개의 제2 부분을 포함하며, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 같은 측에 연결되고 동일 방향으로 연장되고, 상기 제2 부분 사이가 개방부로 정의되고, 상기 개방부를 통하여 상기 코팅액을 토출하며, 상기 개방부의 일단의 폭이 상기 개방부의 타단의 폭보다 커져서 상기 코팅액의 유량이 증가되는 유량 증가부가 상기 제1 부분에 인접한 상기 심의 내측에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 이차전지용 전극판 제조 방법은 본 발명에 따른 슬롯 다이 코터를 이용하여 집전체 상에 제1 전극 활물질층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 전극 활물질층이 형성된 상기 집전체의 반대면에 상기 제1 전극 활물질층과 정렬되는 위치에 제2 전극 활물질층을 형성하는 단계를 포함한다.
이 때, 상기 제2 전극 활물질층을 형성하는 단계는 상기 슬롯 다이 코터의 심을 다른 심으로 교체하여 수행할 수 있다.
특히, 상기 제2 전극 활물질층을 형성하는 단계에서의 심은 상기 제1 전극 활물질층을 형성하는 단계에서의 심의 제2 폭에 비해 더 큰 제2 폭을 가지는 것 이외에는 상기 제1 전극 활물질층을 형성하는 단계에서의 심과 제1 폭 및 경사면의 각도가 동일한 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 보다 안정적으로 원하는 부위의 로딩을 증가시킴으로써 레인내 로딩 편차를 개선할 수 있는 심이 제공된다.
본 발명에 따르면, 레인내 코팅 편차 개선 목적으로 심의 형상을 변경함으로써 코팅액인 전극 활물질 슬러리의 유량 편차를 개선한 결과, 레인내 사이드부의 코팅액 유량을 증가시킴으로써, 슬라이딩부 프로파일을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 심과 슬롯 다이 코터를 이용하면, 슬라이딩을 개선할 수 있어 양극의 방전 용량이 음극의 방전 용량을 넘지 않게 되어, 리튬 석출 및 셀의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 집전체의 탑면과 백면에 순차적으로 전극 활물질 슬러리를 코팅할 때에 탑면과 백면의 슬라이딩을 모두 관리할 수 있다. 슬라이딩으로 인한 로딩 불균일을 방지할 수 있으며, 압연시 불균일의 문제도 해결할 수 있다.
본 발명에 따르면, 탑면 코팅 후 백면을 코팅하는 순차 코팅 방식에서, 백면의 사이드 링 발생을 방지할 수 있다. 탑면과 백면 동시 관리가 탁월한 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 슬롯 다이 코터의 이용 예를 도시한 모식도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 심의 평면도이다.
도 3은 집전체의 일면에 전극 활물질 슬러리가 코팅된 전극판 단면의 일부를 나타내고 있으며 슬라이딩이 발생한 상태를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터에 포함될 수 있는 심의 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 심의 심살 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극판 제조 방법에 따른 전극 활물질층의 프로파일을 종래와 비교하여 나타낸 도면이다.
도 8은 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심에서 심살 측면에서의 코팅액 흐름을 나타낸 모식도이다.
도 9는 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 코팅 로딩 편차 수준을 비교한 그래프이다.
도 10은 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 코팅 두께 편차 수준을 비교한 그래프이다.
도 11은 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 압연 두께 편차 수준을 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 이차전지용 전극판 제조 방법을 수행할 때에 백면 코팅에 사용될 수 있는 심의 평면도이다.
도 13은 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 코팅 탑면 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 14는 종래의 심과 본 발명의 다른 실시예에 따른 심의 코팅 백면 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 15는 종래의 심과 본 발명의 실시예들에 따른 심의 코팅 양면(탑면+백면) 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 이해를 돕기 위한 도면이다.
도 17은 종래 심과 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 코팅 양면(탑면+백면) 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 전극판을 포함할 수 있는 전극 조립체의 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 전극판을 포함할 수 있는 다른 전극 조립체의 도면이다.
도 20a는 종래 심의 슬롯 갭 부분에서의 속도 분포를 시뮬레이션한 결과이다.
도 20b는 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 슬롯 갭 부분에서의 속도 분포를 시뮬레이션한 결과이다.
도 21a는 종래 심의 코팅 갭 부분에서의 속도 분포를 시뮬레이션한 결과이다.
도 21b는 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 코팅 갭 부분에서의 속도 분포를 시뮬레이션한 결과이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 도면이다.
도 23은 도 22에 나타낸 심의 제2 부분의 사시도이다.
도 24는 종래의 심과 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 시뮬레이션 코팅 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 25는 종래의 심과 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 시뮬레이션 코팅 에지 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 슬롯 다이 코터는 슬롯을 구비하고 슬롯을 통해 기재 상에 코팅액을 코팅하는 장치이다. 이하에서 설명하는 '기재'는 집전체이고 코팅액은 '전극 활물질 슬러리'이다. 다만, 본 발명의 권리범위가 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 예컨대 상기 기재는 분리막을 구성하는 다공성 지지체이고 코팅액은 유기물일 수 있다. 즉, 박막 코팅이 요구되는 경우라면 상기 기재와 코팅액은 어떠한 것이어도 좋다. 본 명세서에서 '전'은 토출구가 향하는 방향(X 방향)을 가리키고 '후'는 그 반대 방향을 가리킨다. '좌/우'는 토출구가 향하는 방향에 수직인 방향으로, 슬롯의 폭 방향(Y 방향)을 가리킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 슬롯 다이 코터(100)는, 하부 다이 블록(110), 상부 다이 블록(140), 그리고 그 사이에 구비되어 슬롯(101)을 형성하는 심(120)을 포함한다. 본 실시예에서 슬롯 다이 코터(100)는 하부 다이 블록(110)과 상부 다이 블록(140)인 2개의 다이 블록을 포함하지만 다이 블록은 2개 이상일 수 있다. 슬롯(101)의 끝단이 토출구(101a)가 된다. 토출구(101a)는 슬롯(101)과 연통되어 있다.
도 4에서, 슬롯 다이 코터(100)는 코팅액(150)인 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향(X 방향)을 거의 수평으로 해 설치되어 있다(거의 : ± 5도). 하지만 여기서 예로 든 형태로 한정되어야 하는 것은 아니며, 예컨대, 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 위(Z 방향)로 하는 수직 다이로 구성할 수도 있다.
슬롯(101)은 상부 다이 블록(140)과 하부 다이 블록(110)이 서로 대면하는 곳 사이에 형성된다. 여기에 심(120)이 개재되어 이들 사이에 간극이 마련됨으로써 코팅액(150)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 슬롯(101)이 형성되는 것이다. 심(120)의 두께는 슬롯(101)의 상하 폭(Z 방향, 슬롯 갭)을 결정한다. 심(120)의 두께는 1mm 내외일 수 있다. 예를 들어, 고형분 40-80%를 포함하는 전극 활물질 슬러리를 도포하여 두께가 70-200㎛가 되도록 코팅하는 경우, 심(120)의 두께는 1.5mm일 수 있다.
상부 다이 블록(140)과 하부 다이 블록(110) 중 어느 하나에는 소정의 깊이를 가지며 슬롯(101)과 연통하는 매니폴드(112)를 구비할 수 있다. 본 실시예에서는 하부 다이 블록(110)에 매니폴드(112)가 구비되는 예를 들고 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 매니폴드(112)는 외부에 설치된 코팅액 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 코팅액(150)을 공급받아 수용한다. 매니폴드(112) 내에 코팅액(150)이 가득 차게 되면, 코팅액(150)이 슬롯(101)을 따라 흐름이 유도되고 토출구(101a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터에 포함될 수 있는 심의 평면도이다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 심(120)은 도 5에 도시한 바와 같이, 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부(O)를 구비하며, 상부 다이 블록(140)과 하부 다이 블록(110) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재될 수 있다. 이에 코팅액(150)이 외부로 토출될 수 있는 토출구(101a)는 하부 다이 블록(110)과 상부 다이 블록(140)의 각 선단부인 다이립(111, 141) 사이에 형성된다. 토출구(101a)는 다이립(111, 141) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라고도 할 수 있다.
참고로, 심(120)은 토출구(101a)가 형성되는 영역을 제외하고는, 상부 다이 블록(140)과 하부 다이 블록(110) 사이의 틈새로 코팅액(150)이 누출되지 않도록 하는 가스켓(gasket)으로서의 기능을 겸함으로 밀봉성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 심(120)은 예를 들어 플라스틱제 또는 금속제일 수 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 심(120)은 예를 들어 테플론, 폴리에스테르 등의 수지 시트, 또는 구리, 알루미늄 등의 금속 시트일 수 있다. 심(120)은 예를 들면 나사를 통해 상부 다이 블록(140)나 하부 다이 블록(110)에 결합 고정될 수 있으며 도 5의 참조 부호 121은 나사가 결합되는 홀을 가리키나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 심(120)을 포함하는 슬롯 다이 코터(100)에 의하면, 도 4에서와 같이 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(180)을 슬롯 다이 코터(100)의 전방에 배치하고, 코팅 롤(180)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(190)를 MD 방향으로 주행시키면서, 코팅액(150)을 토출해 연속적으로 기재(190)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(190)에 도포할 수가 있다. 코팅액(150)의 공급 및 중단을 번갈아 수행하여 기재(190) 상에 간헐적으로 패턴 코팅을 형성할 수도 있다.
심(120)은 기재(190) 상에 도포되는 코팅층의 코팅 폭을 결정하는 것으로, 개방부(O)의 개수가 레인의 개수, 즉 패턴의 개수를 결정하고, 개방부(O)의 크기가 코팅 폭에 영향을 미칠 수 있다. 심(120)은 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부(O)를 구비하며, 기재(190) 상에 스트라이프 패턴 모양의 코팅층을 형성하게 할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 심(120)은 베이스가 되는 제1 부분(122)과 제1 부분(122)에서부터 연장되는 적어도 2개의 제2 부분(124)을 포함한다. 제2 부분(124)은 제1 부분(122)의 같은 측에 연결되고 동일 방향(본 실시예에서 X 방향)으로 연장되며, 제2 부분(124) 사이가 개방부(O)로 정의된다. 개방부(O)를 통하여 코팅액(150)을 토출할 수 있다.
제1 부분(122)과 제2 부분(124)은 일체로 형성되어 있을 수 있다. 즉, 제1 부분(122)과 제2 부분(124)간에는 틈이나 이격이 없다. 따라서, 제1 부분(122)과 제2 부분(124) 사이에서 불필요한 코팅액(150)의 유동을 방지할 수 있다.
제1 부분(122)은 심(120)에서도 하부 다이 블록(110)의 후방부에 놓이는 부분이다. 심(120)이 상부 다이 블록(140)과 하부 다이 블록(110) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재되도록 하기 위하여, 제2 부분(124)은 적어도 2개가 필요하다.
제2 부분(124)은 토출구(101a)를 향한 방향, 즉 X 방향으로 연장되어 있다. 즉, 제2 부분(124)은 심(120)에서도 하부 다이 블록(110)의 전방부를 향하도록 연장되는 부분이다. 제2 부분(124)의 개수가 더 늘어나면 기재(190) 상에 코팅액(150)을 토출할 수 있는 레인을 더 만들 수 있고 더 많은 패턴을 나란히 옆으로 한꺼번에 형성할 수 있다. 즉, 스트라이프 패턴 코팅을 할 수가 있다. 하지만 본 발명이 제2 부분(124)의 개수에 의해 제한되는 것이 아니다. 제2 부분(124)이 심살이다.
슬롯 다이 코터(100)는 이차전지용 전극판 제조 장치이다. 기재(190)는 집전체이다. 이러한 집전체는 대면적의 집전체 원단으로부터 커팅된 것일 수 있다. 집전체 원단은 소정의 폭과 길이를 가지도록 직사각형 모양의 얇은 포일로 제조한 것을 권취한 상태로 취급하여 전극판 제조에 이용한다. 표준 폭의 집전체 원단은 400-800mm 사이의 폭을 가질 수 있다. 광폭 집전체 원단은 1000-1800mm 사이의 폭을 가질 수 있다. 이러한 집전체 원단은 그 길이가 수-수백 미터로서 롤에 감겨진 상태로 취급할 수 있다.
심(120)의 가로 길이(L1)와 세로 길이(L2)는 기재(190)의 크기, 레인의 수, 개방부(O)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 표준 폭의 집전체 원단에 전극 활물질 슬러리를 도포하기 위한 용도로의 슬롯 다이 코터(100)라면, 심(120)의 가로 길이(L1)는 400-800mm이고, 세로 길이(L2)는 140-170mm일 수 있다.
특히, 심(120)이 도 2를 참조하여 설명한 종래의 심(60)과 달라지는데, 심(120)은 제2 부분(124)의 적어도 일측에 테이퍼 형상이 적용되어 있을 수 있다. 테이퍼 형상 적용이라 함은 심살에 특정 각도 반영을 의미하는 개념으로 이해될 수 있다.
본 실시예에서, 심(120)은 제2 부분(124)을 3개 이상 포함하여, 양측 가장자리(가장 좌측, 가장 우측)에 포함되는 사이드 제2 부분(124a)과, 사이드 제2 부분(124a) 사이에 포함되는 센터 제2 부분(124b)을 포함한다. 본 실시예에서 센터 제2 부분(124b)은 3개가 포함되어 있다. 이를 통해 레인의 개수는 4개가 된다.
센터 제2 부분(124b)은 양측(좌측과 우측)에 테이퍼 형상이 적용되어 있을 수 있다.
테이퍼 형상은, 제2 부분(124)의 모서리 중 코팅액(150)이 토출되는 쪽의 모서리 부분이 다른 부분보다 폭 방향으로 더 확장되어 있는 형상이라고 할 수 있다. 즉, 심살에서도 전방에 놓인 부분이 다른 부분보다 넓은 것이라고 할 수 있다.
테이퍼 형상은 확장 너비가 일정한 면 또는 제2 부분(124)의 끝단 쪽으로 갈수록 확장 너비가 점차 증가하는 경사면 또는 볼록 곡면 또는 오목 곡면을 포함할 수 있으며 이들 형상의 조합으로 되어 있을 수도 있다. 상기 경사면은 코팅액(150)을 토출하는 방향에 대하여 소정의 각도로 형성되어 있을 수 있다. 상기 테이퍼 형상은 토출되는 코팅액(150)을 기준으로 양측에 대칭적으로 형성되어 있을 수 있다.
도 6은 도 5에 도시한 심의 심살 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 6을 참조하여 심살인 제2 부분(124)을 상세히 살펴 보면, 제1 부분(122)에서부터 전방으로 연장되는 일자형 연장부(125)와, 일자형 연장부(125)에서 전방으로 연장되며 일자형 연장부(125)보다 폭 방향으로 확장되어 있는 가로 방향 확장부(126)를 포함한다. 본 실시예에서 가로 방향 확장부(126)는 제2 부분(124)의 끝단 쪽으로 갈수록 확장 너비가 점차 증가하는 경사면(127)과, 경사면(127)에 이어지면서 확장 너비가 일정한 면(128)을 전방을 향하여 토출구(101a) 쪽으로 순차 포함하고 있다. 이러한 제2 부분(124)의 형상은 도 2에 나타낸 종래의 일자형 심살을 가진 심(60)과 대비하여 “T자심”이라고 부를 수 있다.
이러한 심(120)을 도 5에 나타낸 개방부(O) 기준으로 다시 살펴 보면, 개방부(O)의 일단의 폭(W1)이 개방부(O)의 타단의 폭(W2)보다 커져서 코팅액(150)의 유량이 증가되는 유량 증가부(152)가 심(120)의 내측에 형성되어 있다고 할 수 있다(W1>W2). 여기서, 심(120)의 내측이란 제1 부분(122)에 인접한 부분을 가리킨다.
도 2의 종래 심(60)과 비교하여 보면, 종래 심(60)의 전방쪽 심살(62) 사이 간격은 W이고, 본 발명의 심(120)에서 전방쪽 심살 사이의 간격은 개방부(O)의 타단의 폭인 W2이며, 서로 동일한 경우로 본다(W=W2). 종래 심(60)의 내측, 즉 후방쪽 심살(62) 사이 간격은 W로 전방쪽 간격과 동일하다. 하지만, 본 발명의 심(120)에서의 후방쪽 심살 사이의 간격은 개방부(O)의 일단의 폭인 W1이며, W1이 W2보다 크므로, 종래 심(60)의 내측 심살(62) 사이 간격보다 본 발명의 심(120)에서의 후방쪽 심살 사이의 간격이 더 크다(W<W1).
즉, 본 발명의 심(120)은 종래의 심(60)과 비교하면 전방쪽 심살 사이 간격이 동일해 종래와 동일한 코팅 폭을 구현할 수 있는 것이면서도, 종래 심(60) 대비 심살의 후방쪽을 폭 방향으로 더 파서 심살 사이의 간격을 더 크게 하고 해당 부위의 코팅액 유량을 증가시킨 것이다.
앞서 언급한 바와 같이 슬라이딩은 기재 상에 코팅액을 도포한 후 코팅액의 일부가 코팅 패턴의 에지부에서 흘러내려 코팅 패턴의 두께가 사이드로 갈수록 점차 얇아지는 것이다. 본 발명에서는 코팅 패턴의 에지부에서 코팅액의 일부가 흘러내릴 것을 미리 감안하여 종래보다 더 많은 양의 코팅액을 애초에 코팅 패턴의 에지부에 로딩할 수 있도록, 코팅액(150)을 토출하는 심(120)의 제2 부분(124) 내측을 종래의 심(60)보다 폭 방향으로 더 좁혀서 유량 증가부(152)를 형성한 것이다. 이에 따라, 코팅액(150) 토출시 레인내 사이드부의 로딩을 증가시켜, 코팅액(150) 도포 이후 슬라이딩을 개선함으로써, 도포 이후 레인내 로딩 편차 및 이에 따른 두께 편차를 개선할 수가 있게 된다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 레인내 코팅 편차 개선 목적으로 심(120)의 형상을 종래의 심(60) 대비 변경함으로써 코팅액(150)인 전극 활물질 슬러리의 유량 편차를 개선한 결과, 레인내 사이드부의 코팅액 유량을 증가시킴으로써, 슬라이딩부 프로파일을 개선할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극판 제조 방법에 따른 전극 활물질층의 프로파일을 종래와 비교하여 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 심(120)을 포함하는 슬롯 다이 코터(100)를 이용해 전극 활물질층을 코팅할 수 있다. 도 4에서와 같이 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(180)을 슬롯 다이 코터(100)의 전방에 배치하고, 코팅 롤(180)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(190)를 MD 방향으로 주행시키면서, 코팅액(150)을 토출해 연속적으로 기재(190)의 표면에 접촉시켜 기재(190)에 도포한다.
이를 통해 도 7과 같은 전극 프로파일을 얻을 수 있는데, 유량 증가부(152)가 형성된 심(120)을 이용해 코팅한 결과, 기재(190) 상에 도포된 전극 활물질층(154)의 슬라이딩 길이(SL')가 종래 슬라이딩 길이(SL)보다 짧아지게 된다(SL'<SL). 나아가, 종래 전극 활물질층 패턴(70)의 슬라이딩부(S)에서 두께 변화가 완만해지기 시작하는 지점에서의 두께(h)에 비하여, 기재(190) 상에 도포된 전극 활물질층(154)의 슬라이딩부(S')에서 두께 변화가 완만해지기 시작하는 지점에서의 두께(h')가 증가한다(h<h'). 따라서, 슬라이딩부의 프로파일이 개선된다.
심(120)은 유량 증가부(152)를 형성하도록 제2 부분(124)의 폭이 내측 방향으로 차등 구성될 수 있다. 유량 증가부(152)를 목적하는 부위에 형성함으로써 보다 안정적으로 원하는 부위의 로딩을 증가시킴으로써 레인내 로딩 편차를 개선할 수 있다. 본 실시예에서 제2 부분(124)이 일자형 연장부(125)와 가로 방향 확장부(126)를 포함하도록 하여 폭을 차등 구성한 예를 들고 있지만, 제2 부분(124)의 폭이 내측 방향으로 차등 구성되어 제2 부분(124)의 폭이 내측에서 더 작은 값을 갖도록 함으로써 유량 증가부(152)를 형성할 수 있다면, 제2 부분(124)의 형태는 도시한 바와 얼마든지 달라질 수 있다.
바람직한 예를 도시한 도 6에서, 제2 부분(124)의 폭은 개방부(O)의 타단에서부터 내측 방향으로 제1 위치(AA)까지는 제1 폭(a)으로 일정하고 경사면(127)에 의해 내측 방향으로 제2 위치(BB)까지 제2 폭(b)으로 감소하여 제1 부분(122)에 이르기까지 제2 폭(b)으로 일정하다. 심(120)의 전방 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이는 c이고, 제1 위치(AA)에서 제2 위치(BB)까지의 길이는 d로 나타내었다.
도 6에 도시한 예에서, 경사면(127)은 일자형 연장부(125)에서 폭 방향으로 너비[(a-b)/2], 예를 들어 3.5-5.5mm만큼 돌출되어 토출구(101a) 방향으로 길이(d), 예를 들어 3.5-5.5mm만큼 진행하는 구간에 형성이 되어 있다. (a-b)/2와 d를 동일하게 하면, 이 경우 경사면(127)의 각도(α)는 45도가 된다. (a-b)/2의 크기는 1-8mm일 수 있다. 확장 너비가 일정한 면(128)은 토출구(101a) 쪽으로 길이(c) 1-25mm만큼 연장되어 있을 수 있다. 바람직하게 8-12mm만큼 연장되어 있을 수 있다. 이와 같은 경사면(127)의 각도나 확장 너비가 일정한 면(128)의 길이 등 설계 치수는 로딩 편차 개선을 위해 조절 가능한 부분이다.
제1 폭(a), 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c), 경사면(127)의 각도(α), 제1 위치(AA)에서 제2 위치(BB)까지의 길이(d) 및 제2 폭(b) 중 적어도 어느 하나를 조절하여 슬라이딩을 개선할 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이 기재(190) 상에 도포된 전극 활물질층(154)의 슬라이딩 길이(SL')를 종래 슬라이딩 길이(SL)보다 더 짧아지게 할 수 있다. 종래 전극 활물질층 패턴(70)의 슬라이딩부(S)에서 두께 변화가 완만해지기 시작하는 지점에서의 두께(h)에 비하여, 기재(190) 상에 도포된 전극 활물질층(154)의 슬라이딩부(S')에서 두께 변화가 완만해지기 시작하는 지점에서의 두께(h')가 증가하게 할 수 있다.
제1 폭(a), 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c), 경사면(127)의 각도(α), 제1 위치(AA)에서 제2 위치(BB)까지의 길이(d) 및 제2 폭(b) 중 적어도 어느 하나를 최적으로 설계하기 위하여, 시뮬레이션 모델링을 이용할 수 있다. 로딩 프로파일을 계산할 수 있도록 전극 활물질 슬러리와 공기의 2-상(phase) 모델을 사용할 수 있다. 코팅 폭 방향으로의 로딩 프로파일 데이터 추출 후 코팅 두께 근처(예를 들면 170㎛ 이상) 데이터의 표준 편차의 최소가 되는 심(120) 형상을 탐색할 수 있다.
하나의 예를 들어, 이러한 심(120)의 여러 가지 관리 변수를 적게 하기 위하여, 제1 폭(a), 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c), 경사면(127)의 각도(α)는 일정하게 하고, 제1 위치(AA)에서 제2 위치(BB)까지의 길이(d)만 변경하여 가며 원하는 슬라이딩 프로파일을 얻게 하는 최적의 길이(d)를 찾을 수 있다. 제1 폭(a), 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c), 경사면(127)의 각도(α)가 유지되면, 제2 폭(b)은 길이(d)에 따라서만 좌우된다.
바람직하기로, 제1 폭(a) : 제2 폭(b)은 10 : 6.1-6.9일 수 있다. 제1 폭(a) : 제2 폭(b)이 10 : 6.1보다 작아지면 슬라이딩 개선 효과가 미미할 수 있다. 제1 폭(a) : 제2 폭(b)이 10 : 6.9보다 커지면 팻 에지(fat edge)와 같은 불량이 발생할 수 있다.
심(120)의 가로 길이(L1)가 400-800mm이고, 세로 길이(L2)가 140-170mm인 경우에, 예로 든 바와 같이 4개의 레인을 형성하기 위한 경우라고 하면, 제1 폭(a)은 24-27mm일 수 있다. 제1 폭(a)은 심(120)의 가로 길이(L1), 레인의 개수, 개방부(O)의 폭(W2) 등에 의해 결정될 수 있다.
제1 폭(a) : 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c)는 5 : 1.5-2.5일 수 있다. 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c)가 작을수록 슬라이딩 개선 효과가 좋다. 토출구(101a)에 가까운 심(120)의 끝단까지 유량 증가부(152)가 연장되는 것이므로 슬라이딩 개선 효과가 좋아지는 것이다. 하지만 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c)가 너무 작아지면 팻 에지가 나타날 수 있다. 슬라이딩 개선 효과와 팻 에지 발생 우려의 사이에서 길이(c)를 결정할 수 있다.
경사면(127)의 각도(α)는 제2 부분(124)의 측면에 대하여 혹은 토출 방향에 대하여 25-70도일 수 있다. 경사면(127)의 각도(α)가 25도보다 작아지면 유량 증가부(152)의 길이가 짧아져 슬라이딩 개선 효과가 감소될 수 있다. 경사면(127)의 각도(α)가 70도보다 커지면 경사면(127)에서 확장 너비가 일정한 면(128)으로 이어지는 부분에서 급격한 유량 변화가 생겨 토출 압력에 영향을 줄 수 있어 바람직하지 않다.
도시한 예에 따르면, 기재(190) 위에 4개의 전극 활물질층 패턴을 동시에 코팅하고, 이웃하는 2개의 전극 활물질츨 패턴 사이의 무지부를 따라 슬리팅하여 4개의 전극판을 얻을 수 있다. 전극판의 크기는 제조하려는 젤리-롤 타입의 전극 조립체의 크기, 결국 제조하려는 원통형 이차전지의 크기에 따라 달라질 수 있다. 1865이나 2170의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 이차전지에 포함되는 전극판의 크기보다 4680의 폼 팩터를 가진 대형 원통형 이차전지에 포함되는 전극판의 크기가 커야 한다. 본 발명의 심(120)과 슬롯 다이 코터(100)는 이와 같은 대형의 전극판 제조에 사용하기 적합하다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 이차전지의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명에 따른 심(120)과 슬롯 다이 코터(100)에 의해 제조할 수 있는 원통형 이차전지는, 예를 들어 4611 셀, 4875 셀, 4811 셀, 4880 셀, 4680 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타낸다. 마지막 숫자 0을 부가하여 셀의 단면이 원형임을 나타내기도 한다.
바람직하게, 제조할 수 있는 원통형 이차전지의 폼 팩터는 4680이고, 앞서 설명한 바와 같이 얻을 수 있는 전극판은 이러한 원통형 이차전지에 포함되는 젤리-롤 타입의 전극 조립체에 포함이 되며, 앞서 설명한 바와 같은 스케일의 심(120)을 이용하게 된다면 전극판에서 무지부의 길이는 2-20mm가 되게 제조할 수 있다. 무지부의 길이는 집전체의 단변에서 측정한 길이이다. 전극판 하나의 폭은 60-110mm일 수 있고, 길이는 3-5m일 수 있다.
본 발명에 따른 심(120)과 슬롯 다이 코터(100)는 적절한 코팅 폭으로 슬라이딩부 프로파일이 제어된 코팅층을 형성할 수 있도록 하기 때문에, 대면적 집전체에 띠 모양으로 전극 활물질층을 코팅하고 슬리팅하여 다수의 전극판을 대량 생산하기에 매우 적합하다.
제2 부분(124)에 폭 차등을 두면, 레인내 로딩/두께 편차를 개선할 수 있어 코팅 슬라이딩부 프로파일을 개선할 수가 있다. 특히 예로 든 T자심과 같이 경사면(127)과 확장 너비가 일정한 면(128)을 순차 구비하게 함으로써, 레인내 사이드부(슬라이딩부) 코팅액 유량을 증가시켜 슬라이딩부 프로파일 개선이 현저하며, 이하 실험예를 통해 그 효과에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 8은 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심에서 심살 측면에서의 코팅액 흐름을 나타낸 모식도이다.
도 8에서 일점 쇄선을 기준으로 좌측은 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)을, 우측은 종래의 심(60)의 심살을 나타내고, 굵은 화살표는 코팅액(150)의 흐름을 나타낸다.
종래 일반 심(60)을 적용한다면 매니폴드(112)에서부터 토출구(101a) 쪽까지, 즉 X 방향으로 심살(62) 측면을 따라 코팅액(150)이 일자형으로 토출이 되고 토출구(101a)를 향할수록 로딩의 변화가 생기지 않는다. 코팅액(150)의 흐름을 나타내는 굵은 화살표 사이의 간격이 일정하게 도시된 것으로도 알 수 있을 것이다. 한편, 심살(62)에 가까운 부분의 굵은 화살표 길이가 짧다. 심살(62) 측면에 코팅액(150)의 흐름이 약한 것이다.
이에 비해, 본 발명에서 제시하는 T자심인 심(120)의 경우, 일자형 연장부(125)를 따라 흐르는 코팅액(150)이 경사면(127)을 타고 흘러 확장 너비가 일정한 면(128)을 따라 토출이 되면서, 레인내 사이드부 코팅액 유량이 토출구(101a) 가까이에서 증가되는 효과가 있다. 심(120)의 내측에서 굵은 화살표 사이의 간격이 넓지만 심(120) 앞단에서 굵은 화살표 사이의 간격이 좁아진 것을 보면 토출구(101a)를 향할수록 로딩의 변화가 생기는 것을 알 수 있을 것이다. 또한 제2 부분(124)으로부터의 거리와 상관없이 굵은 화살표 길이가 동일하다. 즉, 토출시 코팅액(150)의 압력이 제2 부분(124) 측면에서 약해지지 않는 것이다.
이와 같이 코팅 심 형상 변경을 통해 코팅액 유량 편차를 개선한 결과, 다음과 같이 레인내 코팅 로딩 편차 등이 현저히 개선됨을 확인하였다. 실험에 적용한 치수는, 제1 폭(a) 25mm, 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c) 10mm, 경사면(127)의 각도(α) 45도, 제1 위치(AA)에서 제2 위치(BB)까지의 길이(d) 5mm이었다. 비교 대상은 제1 폭(a) 25mm와 동일한 심살(62) 폭을 가지는 종래의 심(60)이었다.
도 9는 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 코팅 로딩 편차 수준을 비교한 그래프이다.
편차는 동일 레인내 코팅층에서 측정한 코팅층 센터/사이드 값 차이를 가리킨다. 사이드 로딩은 코팅층 에지부로부터 5mm 떨어진 위치에서부터 50mm x 50mm 크기(25cm2)로 타발하여 측정하였다.
종래 심의 경우 코팅 로딩 편차는 8.6mg/25cm2으로 측정이 되었는데(슬라이딩 때문에 사이드가 센터보다 작음), 본 발명의 경우 코팅 로딩 편차가 3.9mg/25cm2로 감소하였다. 종래 대비 약 50% 개선 효과를 확인할 수 있다.
도 10은 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 코팅 두께 편차 수준을 비교한 그래프이다.
편차는 동일 레인내 코팅층에서 측정한 코팅층 센터/사이드 값 차이를 가리킨다. 사이드 두께는 코팅층 에지부로부터 10mm 떨어진 위치에서부터 50mm x 50mm 크기로 타발하여 측정하였다. 종래 심의 경우 코팅 두께 편차는 4.3㎛로 측정이 되었는데, 본 발명에 따르면 코팅 두께 편차가 0.9㎛로까지 감소하였다. 약 77% 개선 효과를 확인할 수 있다.
도 11은 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 압연 두께 편차 수준을 비교한 그래프이다.
편차는 동일 레인내 코팅층에서 측정한 코팅층 센터/사이드 값 차이를 가리킨다. 사이드 두께는 코팅층 에지부로부터 10mm 떨어진 위치에서부터 50mm x 50mm 크기로 타발하여 측정하였다.
종래 심의 경우 압연 두께 편차는 3.5㎛로 측정이 되었는데, 본 발명에 따르면 압연 두께 편차가 2.2㎛로까지 감소하였다. 약 37% 개선 효과를 확인할 수 있다. 한편, 종래에는 동일한 심(60)을 포함하는 슬롯 다이 코터를 가지고 집전체의 탑면을 코팅한 후 뒤집어 백면을 코팅함에 따라 탑면과 백면의 슬라이딩 길이가 서로 다를 뿐 아니라 백면에서 사이드 링이 발생하는 문제가 있다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 이차전지용 전극판 제조 방법도 제안한다.
먼저 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 심(120)과 이를 포함하는 슬롯 다이 코터(100)를 이용하여, 기재(190)인 집전체 상에 제1 전극 활물질층을 형성한다. 이를 통해 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이 슬라이딩부 프로파일이 개선된 전극 프로파일을 가지는 제1 전극 활물질층을 형성할 수 있다.
이후, 상기 제1 전극 활물질층이 형성된 상기 집전체를 뒤집어, 상기 제1 전극 활물질층이 형성되어 있는 면(탑면)의 반대면(백면)에 상기 제1 전극 활물질층과 정렬되는 위치에 제2 전극 활물질층을 형성한다.
이 때, 상기 제2 전극 활물질층을 형성하는 단계는 상기 슬롯 다이 코터(100)의 심(120)을 도 12에 도시한 것과 같이 다른 심으로 교체하여 수행할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 이차전지용 전극판 제조 방법을 수행할 때에 백면 코팅에 사용될 수 있는 심의 평면도이다.
도 12를 참조하면, 도 12의 심(120')은 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 심(120)과 비교시 심(120)의 제2 폭(b)에 비해 더 큰 제2 폭(b')을 가지는 것 이외에는 상기 제1 전극 활물질층을 형성하는 단계에서의 심(120)과 제1 폭(a) 및 경사면(127)의 각도(α)가 동일하다.
상기 제1 전극 활물질층을 형성할 때에, 유량 증가부(152)가 형성된 심(120)을 이용하므로 탑면의 전극 프로파일은 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이 종래 대비 개선이 된다. 이를 실험으로 확인하였다.
도 13은 종래의 심과 본 발명의 일 실시예에 따른 심의 코팅 탑면 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
그래프에서 가로축은 무지부로부터의 거리이고, 세로축은 코팅층의 두께이다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 의할 때 코팅 탑면 전극 프로파일 개선 효과가 다시 한번 확인된다. 종래보다 슬라이딩 길이도 짧아지고 슬라이딩부에서 두께 변화가 완만해지기 시작하는 지점에서의 두께도 증가한 것을 확인할 수 있다.
이러한 탑면의 전극 프로파일 개선 효과에 따라, 이후 백면을 코팅할 때 종래와 동일한 심(60)을 이용한다고 하더라도, 탑면의 전극 프로파일 개선 효과가 백면에도 그대로 전이되어 백면 전극 프로파일도 종래보다는 개선될 수 있다.
하지만 이 때, 백면 코팅시에도 본 발명에서 제시하는 바와 같이 유량 증가부(152')가 형성된 심(120')을 이용하면 백면 슬라이딩부의 프로파일이 더욱 개선되고 사이드 링도 제거할 수 있다.
바람직하게, 심(120')의 제2 폭(b')을 심(120)의 제2 폭(b)보다 크게 함으로써, 백면의 슬라이딩 프로파일을 더욱 개선할 수 있다. 실험에 적용한 치수는, 심(120)에서 제1 폭(a) 25mm, 심(120)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c) 10mm, 경사면(127)의 각도 45도, 제1 위치(AA)에서 제2 위치(BB)까지의 길이(d) 5mm로 하였으므로, 제2 폭(b)은 15mm이었다. 심(120')에서 제1 위치(AA)에서 제2 위치(BB)까지의 길이(d')는 1mm로 하였으므로 제2 폭(b')은 23mm로 하였다.
도 14는 종래의 심과 본 발명의 다른 실시예에 따른 심의 코팅 백면 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 14를 참조하면, 종래에는 사이드 링이 발생하지만, 본 발명에 의할 때에는 사이드 링이 나타나지 않고, 종래의 슬라이딩 길이보다 본 발명의 슬라이딩 길이가 짧아지는 백면 전극 프로파일 개선 효과가 나타난다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 집전체의 탑면과 백면에 순차적으로 전극 활물질 슬러리를 코팅할 때에 탑면과 백면의 슬라이딩을 모두 관리할 수 있다. 슬라이딩으로 인한 로딩 불균일을 방지할 수 있으며, 압연시 불균일의 문제도 해결할 수 있다. 본 발명에 따르면, 탑면 코팅 후 백면을 코팅하는 순차 코팅 방식에서, 백면의 사이드 링 발생을 방지할 수 있다. 탑면과 백면 동시 관리가 탁월한 효과가 있다.
도 15는 종래의 심과 본 발명의 실시예들에 따른 심의 코팅 양면(탑면+백면) 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 경우 서로 다른 T자심을 사용한 것으로, 코팅 양면 기준 사이드부 코팅 프로파일 개선이 확인된다. 종래 심 대비 최대 5㎛ 두께 증가가 확인된다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 이해를 돕기 위한 도면이다.
보통 슬롯 다이 코터는 코팅액의 주입 방향이 다이 블록의 중심부이기 때문에 중심부의 액상 도포량이 사이드부보다 크며, 그로 인해 폭 방향(MD 방향에 수직)으로 불균일한 코팅 프로파일을 가지게 될 우려가 있다. 이를 개선하기 위해 도 16과 같은 심(65)도 제안되어 있다. 심(65)은 다이 블록 가운데의 유량이 높아 로딩량이 높아지는 A자 개형을 개선하기 위하여, 심(65)의 가운데에 판막(66)을 설계하여 로딩량을 조절하는 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 것과 같은 본 발명의 심(120)에 도 16에서와 같은 판막(66)을 필요 위치에 추가하여, 판막+T자심으로 심을 구현할 수도 있다. 판막은 레인간 로딩 편차를 개선하며, T자심은 레인내 로딩 편차를 개선하는 것이어서, 코팅 로딩 공정 능력, 특히 슬라이딩이 문제되는 양극에서의 코팅 로딩 공정 능력 개선 효과가 탁월하다.
도 17은 종래 심과 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심(판막+T자심)의 코팅 양면(탑면+백면) 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
판막+T자심을 사용할 때 코팅 양면 기준 사이드부 코팅 프로파일 개선이 확인된다. 종래 심 대비 최대 5㎛ 두께 증가가 확인된다. 또한 슬라이딩 구간의 길이를 종래 심 대비 15-20mm 감소시킬 수 있다.
종래 심과 판막+T자심의 코팅 로딩 편차 수준도 비교하였다. 종래 심의 경우 레인내 로딩 편차는 8.1mg/25cm2로 측정이 되었는데, 판막+T자심은 4.3mg/cm2로 감소하였다. 이를 통해 약 46% 개선 효과를 확인할 수 있었다.
이상 설명한 심(120, 120')을 포함하는 슬롯 다이 코터(100)를 이용하여 안정적으로 전극 활물질층을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 코팅 폭, 로딩량, 그리고 슬라이딩 제어가 가능하기 때문에, 본 발명에 따라 형성된 코팅층, 전극 활물질층의 품질이 매우 우수하다. 예를 들어 기재(190)의 폭 방향을 따른 코팅층 두께가 위치에 상관없이 균일해질 수 있고, 슬라이딩 구간을 원하는 모양대로 형성할 수가 있다. 이에 따라, 본 발명에 의하면 패턴 불량을 발생시키는 일이 없이 안정적으로 코팅층을, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 슬롯 다이 코터(100)를 이용하여 양극 활물질 슬러리를 코팅함으로써 이차전지의 양극판 제조에 적용될 수 있다.
양극판은 집전체 및 상기 집전체의 표면에 형성된 양극 활물질층을 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 집전체의 탑면과 백면에 양극 활물질층을 형성할 수 있다.
상기 집전체는 Al, Cu, 등 전기 전도성을 나타내는 것으로서 이차전지 분야에서 공지된 집전체 전극의 극성에 따라 적절한 것을 사용할 수 있다. 양극 활물질 슬러리는 복수의 양극 활물질 입자, 도전재 및 바인더 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 또한, 양극 활물질 슬러리는 전기화학적 특성의 보완이나 개선의 목적으로 다양한 첨가제를 더 포함할 수 있다.
활물질은 리튬 이온 이차 전지의 양극 활물질로 사용될 수 있는 것이면 특정한 성분으로 한정되는 것은 아니다. 이의 비제한적인 예로는 리튬 망간복합 산화물(LiMn2O4, LiMnO2 등), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 양극은 고체 전해질 재료로 고분자계 고체 전해질, 산화물계 고체 전해질 및 황화물계 고체 전해질 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도전재는 통상적으로 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1wt% 내지 20wt%로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 폴리불화비닐리덴 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. 상기 바인더는 통상적으로 전극층 100wt% 대비 1wt% 내지 30wt%, 또는 1wt% 내지 10wt%의 범위로 포함될 수 있다.
본 발명의 슬롯 다이 코터(100)를 이용하여 음극 활물질 슬러리를 코팅함으로써 이차전지의 음극판을 제조할 수도 있다. 상기 음극판은 집전체 및 상기 집전체의 탑면과 백면에 형성된 음극 활물질층을 포함한다. 음극 활물질 슬러리는 복수의 음극 활물질 입자, 도전재 및 바인더 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 또한, 음극 활물질 슬러리는 전기화학적 특성의 보완이나 개선의 목적으로 다양한 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 흑연, 비정질 탄소, 다이아몬드상 탄소, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 탄소나노 혼 등의 탄소 재료나 리튬 금속 재료, 실리콘이나 주석 등의 합금계 재료, Nb2O5, Li5Ti4O12, TiO2 등의 산화물계 재료, 혹은 이들의 복합물을 이 용할 수 있다. 음극에 대해서 도전재, 바인더 및 집전체에 대해서는 양극에 대해 기재한 내용을 참조할 수 있다.
이러한 양극 활물질이나 음극 활물질을 포함하는 활물질 슬러리는 점도가 매우 높다. 예를 들어 점도는 1000 cps 이상일 수 있다. 이차전지용 전극판을 형성하기 위한 용도의 활물질 슬러리의 점도는 2000 cps 내지 30000 cps일 수도 있다. 예를 들어 음극 활물질 슬러리는 점도가 2000 cps 내지 4000 cps일 수 있다. 양극 활물질 슬러리는 점도가 8000 cps 내지 30000 cps 일 수 있다. 점도 1000 cps 이상의 코팅액을 코팅할 수 있어야 하는 것이므로 본 발명의 슬롯 다이 코터(100)는 이보다 낮은 점도의 코팅액, 예를 들면 사진 감광 유제액, 자성액, 반사 방지나 방현성 등을 부여하는 액, 시야각 확대 효과를 부여하는 액, 컬러 필터용 안료액 등 보통의 수지액을 도포하는 장치 구조와는 차이가 있고 그것을 변경하여 도달할 수 있는 장치가 아니다. 본 발명의 슬롯 다이 코터(100)는 예를 들어 평균 입경이 10㎛ 내외의 입자 크기를 가지는 활물질을 포함할 수도 있는 활물질 슬러리를 도포하기 위한 것이므로, 이러한 크기의 입자를 포함하지 않는 다른 코팅액을 도포하는 장치 구조와도 차이가 있고 그것을 변경하여 도달할 수 있는 장치가 아니다. 본 발명의 슬롯 다이 코터(100)는 이차전지용 전극판 제조용 코터로 최적화되어 있다. 본 발명에 따른 심(120, 120')과 슬롯 다이 코터(100)를 이용하면, 슬라이딩을 개선할 수 있어 양극의 방전 용량이 음극의 방전 용량을 넘지 않게 되어, 리튬 석출 및 셀의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극판 제조 방법을 이용하여 제조한 전극판은 전극 조립체로 제조되어, 원통형 이차전지에 포함이 될 수 있다. 특히 이러한 원통형 이차전지는 폼 팩터가 4680 이상인 대형 원통형 이차전지로 제조될 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 전극판을 포함할 수 있는 전극 조립체의 도면이다.
도 18을 참조하면, 전극 조립체(210)는 양극판(212) 및 음극판(214)과 이들 사이에 개재된 분리막(216)이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리-롤 타입의 전극 조립체이다. 전극 조립체(210)는 양극판(212), 분리막(216), 음극판(214), 분리막(216)을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 권취 완료 후의 전극 조립체(210)는 대략 원기둥 모양이 된다. 전극 조립체(210)의 상단 또는 하단에서 보면 전극 조립체(210)의 외곽 형태는 원형이다.
양극판(212)은, 장변과 단변을 가진 쉬트 모양의 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질(212b)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향을 따라 한쪽 장변측 단부에 양극 무지부(212a)를 포함한다. 양극 무지부(212a)는 양극판(212)의 일측단을 따라 연속적으로 형성될 수 있다. 음극판(214)도, 장변과 단변을 가진 쉬트 모양의 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층(214b)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향을 따라 한쪽 장변측 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 음극 무지부(214a)를 포함한다. 음극 무지부(214a)도 음극판(214)의 일측단을 따라 연속적으로 형성될 수 있다.
양극판(212) 및 음극판(214)은 앞서 설명한 바와 같은 심(120)을 포함하는 슬롯 다이 코터(100)를 이용해 각 집전체에 각 활물질층을 코팅한 후 슬리팅하여 마련한 것이다. 집전체의 양면에 활물질층을 코팅하는 것이라면 앞서 설명한 본 발명의 이차전지용 전극판 제조 방법에 따라 서로 다른 종류의 심(120, 120')을 이용해 코팅함으로써 슬라이딩을 더욱 개선한 것일 수 있다.
분리막(216)은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막(216)은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막(216)의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막(216) 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
활물질층(212b, 214b)과 무지부(212a, 214a)의 경계에는 절연 코팅층(218)이 더 형성될 수 있다. 절연 코팅층(218)은 적어도 일부가 활물질층(212b, 214b)과 무지부(212a, 214a)의 경계와 중첩되도록 형성될 수 있다. 절연 코팅층(218)은 고분자 수지를 포함하고, Al2O3와 같은 무기물 필터를 포함할 수 있다. 절연 코팅층(218)에 의해, 양극판(212)과 음극판(214)의 전기적 접촉이 효과적으로 방지될 수 있다. 절연 코팅층(218)은 무지부(212a, 214a)를 절곡시킬 때에 분리막(216) 쪽으로 과도하게 구부러지지 않도록 옆에서 기계적으로 지탱해주는 역할을 할 수 있다.
각 무지부(212a, 214a)는 서로 반대 방향으로 배치된다. 그리고, 각 무지부(212a, 214a)는 분리막(216)의 외부로 노출된다. 이러한 전극 조립체(210)는 양극 무지부(212a)의 적어도 일부가 그 자체로서 양극탭으로서 사용되고, 음극 무지부(214a)의 적어도 일부가 그 자체로서 음극탭으로서 사용될 수 있다. 즉, 스트립 형태의 탭을 별도로 용접하거나 할 필요 없이 탭 리스로 구현될 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 전극판을 포함할 수 있는 다른 전극 조립체의 도면이다.
도 18의 전극 조립체(210)의 각 무지부(212a, 214a)는 전극 조립체(210)의 권취 중심(C)측으로 절곡될 수 있고, 여기에 집전판이 용접되어 이차전지로 제조될 수 있다. 도 19는 도 18의 전극 조립체(210)의 각 무지부(212a, 214a)의 절곡을 더욱 용이하게 하기 위하여 변형된 예이다.
도 19를 참조하면, 전극 조립체(210')의 양극판(212)에서 양극 무지부(212a)의 적어도 일부 구간은 복수개의 분절편(212c)으로 분할되어 있다. 분절편(212c)은 양극판(212)의 양극 집전체의 단변을 따르는 방향으로 노칭된 것일 수 있다. 예를 들어 분절편(212c)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 그밖에 분절편(212c)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수도 있다. 복수개의 분절편(212c) 각각은 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가질 수 있다.
양극 무지부(212a)는 전극 조립체(210')의 권취 중심과 인접한 코어측 무지부, 전극 조립체(210')의 외주측과 인접한 외주측 무지부, 및 코어측 무지부와 외주측 무지부 사이에 개재된 중간 무지부를 포함할 수 있고, 분절편(212c)은 중간 무지부에 형성된 것일 수 있다. 코어측 무지부와 외주측 무지부에는 분절편이 형성되어 있지 않을 수 있다. 양극 무지부(212a)의 높이(집전체의 단축 길이를 따르는 방향에서 측정됨)는 일정하지 않고 권취 방향에서 상대적인 차이가 있을 수 있다. 예를 들어 외주측 무지부의 높이는 코어측 무지부 및 중간 무지부보다 상대적으로 작을 수 있다. 그리고, 중간 무지부의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가하는 스탭 형상을 가질 수 있다. 코어측 무지부의 폭(집전체 장축 방향 또는 권취 방향으로의 길이)은 중간 무지부의 분절편(212c)들을 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체(210')의 공동(H1)을 가리지 않는 조건을 적용하여 설계할 수 있다. 이와 같이, 분절편(212c)들을 형성하는 한편으로 분절편(212c)이 형성되어 있지 않은 다른 무지부 구간의 높이와 길이를 조절함으로써, 양극 무지부(212a)가 절곡될 때 전극 조립체(210')의 공동(H1)이 폐색되는 것을 방지하면, 전해액 주입 공정과 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
복수개의 분절편(212c)은, 전극 조립체(210')의 코어측을 향해 절곡될 수 있다. 이 때, 복수개의 분절편(212c)은, 전극 조립체(210')의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이처럼 복수개의 분절편(212c)을 형성하여 이를 절곡하면, 그렇지 않은 경우에 비하여 무지부가 제대로 구부려지지 않을 위험이 없다. 무지부가 제대로 구부려지지 않는 경우에는 무지부 사이로 분리막이 노출되고 이에 레이저 용접시 고에너지를 갖는 레이저에 의해 분리막이 손상되는 문제가 발생한다.
한편, 음극 무지부(214a)의 적어도 일부 구간도 복수개의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다. 음극 무지부(214a)의 분절편이나 절곡 관련된 모든 내용은 양극 무지부(212a) 부분에서 설명한 것이 그대로 적용될 수 있다.
이하, 시뮬레이션 모델링에 따른 여러 가지 결과 및 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심을 설명하도록 한다.
먼저 도 2에 도시한 종래의 심(60)과 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)에 대하여 시뮬레이션 모델링을 하여, 심 형상 차이에 따른 유속 차이점을 비교해 보았다. 도 2의 심(60)에서 W가 123.66mm이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)에서 W2가 123.66mm이고 W1이 그보다 크며, 고형분 67%를 포함하여 점도가 4900-5300 cps인 전극 활물질 슬러리를 656/25cm2 로딩 목표로 도포하는 경우를 상정하였다. 코팅갭(다이립에서부터 기재 표면까지의 거리)이 250㎛이고, 코팅 속도가 40mpm, 80mpm 두 경우에 대하여 계산하였다. 종래의 심(60)과 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)은 가운데 부분을 기준으로 대칭이므로 효율적 해석을 위해 가운데 부분을 절단면으로 하여 절반에 대해서만 해석을 진행하였다.
도 20a는 종래 심(60)의 슬롯 갭 부분, 랜드 끝단에서의 속도 분포를 시뮬레이션한 결과이다. 가로축은 다이 블록 좌측 끝부분에서부터 심(60) 대칭 중심인 가운데 절단면까지의 거리를 나타내고, 세로축은 유속을 나타낸다. 유속 데이터가 얻어진 부분은 심살(62) 사이의 개방부, 즉 레인에 해당한다. 코팅 속도가 40mpm일 때와 80mpm일 때에 차이가 없다.
도 20b는 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)의 슬롯 갭 부분, 랜드 끝단에서의 속도 분포를 시뮬레이션한 결과이다. 가로축은 다이 블록 좌측 끝부분에서부터 심(120) 대칭 중심인 가운데 절단면까지의 거리를 나타내고, 세로축은 유속을 나타낸다. 유속 데이터가 얻어진 부분은 심살인 제2 부분124) 사이의 개방부(O), 즉 레인에 해당한다. 여기에서도 코팅 속도가 40mpm일 때와 80mpm일 때에 차이가 없다.
도 20a 및 도 20b의 랜드 끝단에서의 속도 분포를 보면, 코팅 속도에 상관 없이 동일한 속도 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이것은 코팅 갭이 전극 활물질 슬러리 유동에 큰 저항 성분이 되어 코팅 속도에 대한 영향을 상쇄시킨 결과로 해석된다.
한편, 도 20a와 도 20b를 비교해 보면, 유속 분포에서 유의미한 차이가 있다. 본 발명의 경우 하나의 레인 내에서 가운데 유속이 종래보다는 작고 레인의 양측 사이드 유속은 종래보다 훨씬 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)을 적용하면 레인 내 유속 변화를 일으켜 슬라이딩부가 발생할 수 있는 사이드쪽 유량 및 유속을 증가시켜 슬라이딩 발생을 적게 할 수 있다는 것을 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있다.
도 21a는 종래 심(60)의 코팅 갭 부분, 즉 다이 립 끝단에서의 속도 분포를 시뮬레이션한 결과이다. 가로축은 다이 블록 좌측 끝부분에서부터 심(60) 대칭 중심인 가운데 절단면까지의 거리를 나타내고, 세로축은 유속을 나타낸다. 코팅 속도가 40mpm일 때와 80mpm일 때에 차이가 없다.
도 21b는 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)의 코팅 갭 부분, 즉 다이 립 끝단에서의 속도 분포를 시뮬레이션한 결과이다. 가로축은 다이 블록 좌측 끝부분에서부터 심(120) 대칭 중심인 가운데 절단면까지의 거리를 나타내고, 세로축은 유속을 나타낸다. 여기에서도 코팅 속도가 40mpm일 때와 80mpm일 때에 차이가 없다.
도 21a 및 도 21b의 코팅 갭 부분에서의 속도 분포를 보면, 코팅 속도에 상관 없이 동일한 속도 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이것은 앞서 언급한 바와 같이 코팅 갭이 전극 활물질 슬러리 유동에 큰 저항 성분이 되어 코팅 속도에 대한 영향을 상쇄시킨 결과이다.
도 21a와 도 21b를 비교해 보면, 역시 유속 분포에서 유의미한 차이가 있다. 종래의 경우에는 하나의 레인 내에서 가운데 유속이 레인의 양측 사이드 유속보다 훨씬 커서 슬라이딩 발생에 취약한 것을 알 수 있다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)을 적용하면 레인 내에서 가운데 유속보다 레인의 양측 사이드 유속이 크므로 슬라이딩 발생이 종래보다는 개선될 것이라는 것을 알 수 있다.
시뮬레이션에 따른 유속 분포를 토대로 로딩 프로파일과 로딩 편차를 계산하여 보았다. 종래 심(60)의 경우 최대 유속은 1.00625, 최소 유속은 0.9897, 편차는 0.016545인 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)에서는 최대 유속이 1.00542, 최소 유속이 1, 편차는 0.005422로 나타나, 본 발명의 일 실시예에 따른 심(120)에 의할 때에 로딩 편차가 약 67% 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 계산값이어서 실측을 토대로 한 도 9의 결과와는 당연히 차이가 발생할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 도면이고, 도 23은 도 22에 나타낸 심의 제2 부분의 사시도이다.
도 22 및 도 23은 앞서 설명한 심(120)의 변형예인 심(120”)을 도시하고 있다.
심(120”)은 단차부(129)를 포함하는 점에서만 심(120)과 차이가 있다. 심(120”)은 제1 위치(AA)까지 심(120”)의 하측면 일부가 내입되어 단차부(129)가 형성된 것이다. 단차부(129)는 심(120”)에서도 전극 활물질 슬러리인 코팅액(150)과 주로 닿게 되는 하측면에 형성된다. 제1 위치(AA)에서 심(120”)의 끝단까지 단차부(129) 부분에서는 심(120)에 비하여 코팅액(150)의 유량이 증가될 수 있으면서도, 단차부(129) 위쪽의 제2 부분(124)에 의해 코팅 폭은 심(120)에 의해 정의되는 코팅 폭 W1과 동일하게 되어 코팅층을 형성할 수 있다. 단차부(129)의 측면으로의 내입 깊이를 e, 심(120”) 하면으로부터 내입된 깊이를 f라고 하여 제1 폭(a), 심(120”)의 끝단에서 제1 위치(AA)까지의 길이(c), 경사면(127)의 각도(α), 제1 위치(AA)에서 제2 위치(BB)까지의 길이(d) 및 제2 폭(b) 중 적어도 어느 하나를 조절하여 슬라이딩을 더욱 개선하도록 할 수 있다. 심(120")은 T자심인 심(120)과 구별될 수 있게 단차형 T자심이라고 부를 수 있다.
이러한 심(120”)의 여러 가지 관리 변수를 변화시켜 가며 시뮬레이션 모델링을 하여 최적의 심 형상을 설계하는 방법을 소개하면 다음과 같다.
앞서 도 20a 등의 시뮬레이션 결과를 얻은 조건과 동일하게, 심(120”)에서 W2가 123.66mm이고 W1이 그보다 크며, 고형분 67%를 포함하여 점도가 4900-5300 cps인 전극 활물질 슬러리를 656/25cm2 로딩 목표로 도포하는 경우를 상정하였다. 코팅갭(다이립에서부터 기재 표면 까지의 거리)이 250㎛이고, 코팅 속도가 80mpm인 경우를 계산하였다.
표 1은 e, f, (a-b)/2, c, α를 다양하게 변화시켜 만든 여러 가지 샘플 조건에서 로딩 프로파일 편차를 종래 심(60)에서의 시뮬레이션 결과와 함께 정리한 것이다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 단차부(129)를 포함하고 W2보다 W1를 크게 하는 것만으로도 종래의 로딩 프로파일 편차 0.837㎛보다 작은 결과들을 얻을 수 있었다. 그 중 특히 유의미한 로딩 프로파일 편차 감소를 보인 Design #1, #2의 로딩 프로파일을 종래 심(60)에 의한 로딩 프로파일과 함께 도 24에 나타내었다.
도 24는 종래의 심과 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 시뮬레이션 코팅 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
그래프에서 가로축은 무지부로부터의 거리이고, 세로축은 코팅층의 두께이다.
도 24를 참조하면, 표 1의 Design #1, #2의 심을 적용할 때 종래 심(60) 대비 코팅층 에지 부근에서의 로딩 편차 개선이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
도 25는 종래의 심과 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심의 시뮬레이션 코팅 에지 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
그래프에서 가로축은 무지부로부터의 거리이고, 세로축은 코팅층의 두께이다.
표 1의 Design #1, #2의 심의 에지 두께 프로파일이 종래 심(60) 대비 개선된 점이 확인된다. 이러한 Design #1, #2의 e, f, (a-b)/2, c, α를 그대로 이용하거나, 이 중 일부 변수는 고정하고 다른 변수는 변화시켜 달라진 코팅 프로파일을 구현할 수 있는 심을 설계할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 슬롯 다이 코터 101 : 슬롯
110 : 하부 다이 블록 112 : 매니폴드
120 : 심 122 : 제1 부분
124 : 제2 부분 125 : 일자형 연장부
126 : 가로 방향 확장부 127 : 경사면
128 : 확장 너비가 일정한 면 140 : 상부 다이 블록
150 : 코팅액 152 : 유량 증가부
154 : 전극 활물질층 180 : 코팅 롤
190 : 기재

Claims (21)

  1. 슬롯 다이 코터의 하부 다이 블록과 상부 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하고 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 코팅액을 토출하도록 하기 위한 심으로서,
    베이스가 되는 제1 부분과 상기 제1 부분에서부터 연장되는 적어도 2개의 제2 부분을 포함하며, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 같은 측에 연결되고 동일 방향으로 연장되고, 상기 제2 부분 사이가 개방부로 정의되고, 상기 개방부를 통하여 상기 코팅액을 토출하며,
    상기 개방부의 일단의 폭이 상기 개방부의 타단의 폭보다 커져서 상기 코팅액의 유량이 증가되는 유량 증가부가 상기 제1 부분에 인접한 상기 심의 내측에 형성된 것을 특징으로 하는 심.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유량 증가부를 형성하도록 상기 제2 부분의 폭이 상기 내측 방향으로 차등 구성된 것을 특징으로 하는 심.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유량 증가부를 형성하도록 상기 제2 부분의 적어도 일측에 테이퍼 형상이 적용되어 있는 것을 특징으로 하는 심.
  4. 제3항에 있어서, 상기 심은 상기 제2 부분을 3개 이상 포함하여, 양측 가장자리에 포함되는 사이드 제2 부분과, 상기 사이드 제2 부분 사이에 포함되는 센터 제2 부분을 포함하고, 상기 센터 제2 부분은 양측에 상기 테이퍼 형상이 적용되어 있는 것을 특징으로 하는 심.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 부분의 폭은 상기 개방부의 타단에서부터 상기 내측 방향으로 제1 위치까지는 제1 폭으로 일정하고 경사면에 의해 상기 내측 방향으로 제2 위치까지 제2 폭으로 감소하여 상기 제1 부분까지 상기 제2 폭으로 일정한 것을 특징으로 하는 심.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 폭 : 상기 제2 폭은 10 : 6.1-6.9인 것을 특징으로 하는 심.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 폭 : 상기 심의 끝단에서 상기 제1 위치까지의 길이는 5 : 1.5-2.5인 것을 특징으로 하는 심.
  8. 제5항에 있어서, 상기 경사면의 각도는 25-70도인 것을 특징으로 하는 심.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제1 위치까지 상기 심의 하측면 일부가 내입되어 단차부를 형성한 것을 특징으로 하는 심.
  10. 하부 다이 블록과 상부 다이 블록;
    상기 하부 다이 블록과 상부 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심; 및
    상기 상부 다이 블록 및 하부 다이 블록 중 적어도 어느 하나에 구비되며 코팅액을 수용하는 매니폴드를 포함하여,
    상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 기재 상에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서,
    상기 심은,
    베이스가 되는 제1 부분과 상기 제1 부분에서부터 연장되는 적어도 2개의 제2 부분을 포함하며, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 같은 측에 연결되고 동일 방향으로 연장되고, 상기 제2 부분 사이가 개방부로 정의되고, 상기 개방부를 통하여 상기 코팅액을 토출하며,
    상기 개방부의 일단의 폭이 상기 개방부의 타단의 폭보다 커져서 상기 코팅액의 유량이 증가되는 유량 증가부가 상기 제1 부분에 인접한 상기 심의 내측에 형성된 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 심은 유량 증가부를 형성하도록 상기 제2 부분의 폭이 상기 내측 방향으로 차등 구성된 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  12. 제10항에 있어서, 상기 심은 상기 유량 증가부를 형성하도록 상기 제2 부분의 적어도 일측에 테이퍼 형상이 적용되어 있는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  13. 제12항에 있어서, 상기 심은 상기 제2 부분을 3개 이상 포함하여, 양측 가장자리에 포함되는 사이드 제2 부분과, 상기 사이드 제2 부분 사이에 포함되는 센터 제2 부분을 포함하고, 상기 센터 제2 부분은 양측에 상기 테이퍼 형상이 적용되어 있는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제2 부분의 폭은 상기 개방부의 타단에서부터 상기 내측 방향으로 제1 위치까지는 제1 폭으로 일정하고 경사면에 의해 상기 내측 방향으로 제2 위치까지 제2 폭으로 감소하여 상기 제1 부분까지 상기 제2 폭으로 일정한 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 폭 : 상기 제2 폭은 10 : 6.1-6.9인 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1 폭 : 상기 심의 끝단에서 상기 제1 위치까지의 길이는 5 : 1.5-2.5인 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  17. 제14항에 있어서, 상기 경사면의 각도는 25-70도인 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  18. 제14항에 있어서, 상기 제1 위치까지 상기 심의 하측면 일부가 내입되어 단차부를 형성한 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 슬롯 다이 코터를 이용하여 집전체 상에 제1 전극 활물질층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 전극 활물질층이 형성된 상기 집전체의 반대면에 상기 제1 전극 활물질층과 정렬되는 위치에 제2 전극 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지용 전극판 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 전극 활물질층을 형성하는 단계는 상기 슬롯 다이 코터의 심을 다른 심으로 교체하여 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 제2 전극 활물질층을 형성하는 단계에서의 심은 상기 제1 전극 활물질층을 형성하는 단계에서의 심의 제2 폭에 비해 더 큰 제2 폭을 가지는 것 이외에는 상기 제1 전극 활물질층을 형성하는 단계에서의 심과 제1 폭 및 경사면의 각도가 동일한 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판 제조 방법.
KR1020230068652A 2022-08-31 2023-05-26 슬라이딩부 프로파일 개선을 위한 심, 이를 포함하는 슬롯 다이 코터 및 이를 이용한 이차전지용 전극판 제조 방법 KR20240030994A (ko)

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