WO2021132992A1 - 코팅 균일성이 우수한 전극 슬러리 토출용 코팅 심 및 이를 포함하는 코팅 다이 - Google Patents

코팅 균일성이 우수한 전극 슬러리 토출용 코팅 심 및 이를 포함하는 코팅 다이 Download PDF

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WO2021132992A1
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coating
electrode slurry
width
shim
discharge
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PCT/KR2020/018625
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최종환
김인성
최민철
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electrode slurry coating shim having excellent coating uniformity and a coating die including the same.
  • a lithium secondary battery is widely used as an energy source for various electronic products as well as various mobile devices in that it has high energy density and operating voltage and excellent preservation and lifespan characteristics.
  • Electrodes for secondary batteries are manufactured by coating electrode slurry on a current collector and then drying and rolling processes.
  • a higher level of coating uniformity is required.
  • FIG. 1 is a plan view showing a conventional coating shim.
  • the conventional coating shim 10 has a structure in which the electrode slurry discharge direction is opened and three surfaces except for the discharge direction are closed based on the cross-sectional structure.
  • guide portions 11 are formed at both ends in the width direction of the open surface in the electrode slurry discharge direction.
  • the guide part 11 has a structure that protrudes in a direction to decrease the width of the discharge passage.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a coating shim for discharging electrode slurry, which can secure excellent coating uniformity during high-load coating, and a coating die including the same.
  • the present invention provides a coating shim for discharging electrode slurry.
  • the coating shim for discharging electrode slurry according to the present invention includes a step portion that is formed at the end of the electrode slurry discharge passage and increases the width of the discharge passage, and the step portion is formed on both sides of the electrode slurry discharge passage in the width direction. is the structure
  • the coating shim for discharging electrode slurry has a structure in which the electrode slurry discharging direction is open, and three sides are closed except for the discharging direction, based on the cross-sectional structure, and both sides in the width direction of the open surface in the electrode slurry discharging direction
  • a guide portion having a structure protruding in a direction to decrease the width of the discharge passage is formed at an end thereof, and a step portion is formed at the distal end of the guide portion in the discharge direction to increase the width of the discharge passage.
  • the step portion is formed in a vertically bent shape at the distal end of the guide portion in the discharge direction, so that the width of the discharge passage increases at once.
  • the width of the discharge passage which is increased by the formation of the step portion, is in the range of 0.5 to 10% based on the length of the discharge passage in the width direction.
  • the guide part has a shape in which the protruding height in the discharge direction increases sequentially or continuously.
  • an electrode slurry coating die including the coating shim described above.
  • an electrode slurry coating die according to the present invention includes a die block adjacent to each other; and a coating shim inserted and mounted at the interface between the die blocks.
  • the coating shim based on the cross-sectional structure, has a structure in which the electrode slurry discharge direction is open, three sides are closed except for the discharge direction, and both ends in the width direction of the open surface in the electrode slurry discharge direction are discharged
  • a guide portion having a structure protruding in a direction to decrease the width of the flow passage is formed, and is formed at an end of the guide portion in the discharge direction, and includes a step portion increasing the width of the discharge passage.
  • the width of the coating is determined by the spacing between the guide portions of the coating shim.
  • the coating width is determined by the distance between the guide portions of the coating shim, and further includes an electrode slurry discharge flow path formed at a position corresponding to the step portion of the coating shim.
  • the electrode slurry coating shim and the coating die including the same according to the present invention can implement excellent coating uniformity even when the electrode slurry is coated with a high level of loading.
  • 1 is a plan view of a conventional coating shim for discharging electrode slurry.
  • FIGS. 2 and 3 are plan views of a coating shim for discharging electrode slurry according to an embodiment of the present invention, respectively.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an electrode slurry coating process using an electrode slurry coating die according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention provides a coating shim for discharging electrode slurry.
  • the coating shim for discharging electrode slurry according to the present invention includes a step portion formed at the end of the electrode slurry discharging path to increase the width of the discharging path.
  • the present invention is characterized in that a step portion for increasing the width of the discharge passage is formed at the end of the discharge passage of the coating shim.
  • a step portion for increasing the width of the discharge passage is formed at the end of the discharge passage of the coating shim.
  • the coating uniformity of the electrode slurry can be improved.
  • the coating uniformity can be improved even when the electrode slurry is coated with a high loading amount.
  • the coating layer having excellent coating uniformity can prevent a phenomenon in which the thickness of each part is changed or disconnected even after a drying and rolling process is performed afterwards.
  • the coating shim for discharging electrode slurry has a structure in which the electrode slurry discharge direction is opened, and three sides are closed except for the discharging direction, based on the cross-sectional structure, and the width direction of the open surface in the electrode slurry discharge direction At both ends, a guide portion having a structure protruding in a direction to decrease the width of the discharge passage is formed, and is formed at an end of the guide portion in the discharge direction, and includes a step portion increasing the width of the discharge passage.
  • the guide part has a structure protruding in a direction to decrease the width of the discharge passage.
  • the present invention includes a structure in which a step portion is formed at the discharging direction end of the guide portion.
  • the step portion has a structure formed on both sides of the electrode slurry discharge passage in the width direction.
  • the coating shim for discharging electrode slurry according to the present invention forms a stepped portion on both ends of the discharging flow path, thereby uniformly removing or reducing the load applied to both ends of the discharging flow path.
  • the step portion is formed in a vertically bent shape at the distal end in the discharge direction of the guide portion, and has a structure in which the width of the discharge passage increases at once.
  • the step portion is formed in a shape vertically bent at the distal end in the discharge direction.
  • the width of the discharge passage increased by the formation of the step portion is in the range of 0.5 to 10% based on the width direction length of the discharge passage. More specifically, the width of the discharge passage increased by the formation of the step portion is in the range of 0.5 to 5%, 3 to 10%, or 3 to 8%, based on the width direction length of the discharge passage.
  • the increased width of the discharge flow path due to the step portion represents a ratio of the width direction length of the discharge flow passage increased according to the formation of the step portion to the width direction length of all discharge flow passages including the step portion.
  • the range of the increase width of the discharge passage due to the step portion reflects the discharge efficiency and the coating uniformity.
  • the guide portion has a shape in which the height protruding in the discharge direction increases sequentially or continuously.
  • the guide part has a structure protruding in a direction to decrease the width of the discharge passage.
  • a load is rapidly applied to both ends of the discharge passage in the width direction, and in some cases, a partial reflux shape may be caused.
  • the guide part may have a protruding structure to have an average inclination angle of about 5° to 45° with respect to the discharge direction.
  • the present invention provides an electrode slurry coating die including the coating shim described above.
  • an electrode slurry coating die comprises: die blocks adjacent to each other; and a coating shim inserted and mounted at the interface between the die blocks.
  • the coating die may include two die blocks 2P adjacent to each other, and in some cases, it is also possible to include four die blocks 4P adjacent to each other.
  • the coating die may have a structure in which first to fourth die blocks are adjacent to each other, and a coating shim is inserted and mounted between the first and second die blocks and between the third and fourth die blocks. .
  • the electrode slurry is sequentially coated twice on the current collector layer, thereby forming an electrode mixture layer having a double-layer structure.
  • the coating shim has a structure in which the electrode slurry discharge direction is opened based on the cross-sectional structure, and three sides are closed except for the discharge direction, and both ends in the width direction of the open surface in the electrode slurry discharge direction
  • a guide part having a structure protruding in a direction to decrease the width of the discharge flow path is formed in the structure, and is formed at the distal end of the guide part in the discharge direction, and includes a step portion increasing the width of the discharge flow path.
  • the coating shim controls the width of the discharge passage by forming a guide part.
  • the present invention includes a structure for forming a step portion at the discharging direction end of the guide portion. Through this, the coating die according to the present invention controls the width of the coating, but it is possible to prevent unnecessary load being applied to both ends in the width direction.
  • the width of the coating is determined by the spacing between the guide portions of the coating shims.
  • the thickness of the coating corresponds to the thickness of the coating shim, and is partially affected by the discharge pressure or the separation distance of the current collector layer.
  • the coating width is determined by the distance between the guide portions of the coating shim, but by forming a step portion at the end of the discharge flow path, an excessive load is prevented on a specific portion, and the uniformity of the coating can be significantly increased.
  • the electrode slurry coating die further includes an electrode slurry discharge passage formed at a position corresponding to the step portion of the coating shim.
  • the uniformity of the coating is increased by forming the step portion of the coating shim, but a portion of the discharged electrode slurry may flow toward the step portion.
  • a portion of the discharged electrode slurry may flow toward the step portion.
  • the electrode slurry discharge flow path formed at a position corresponding to the step portion of the coating shim it is possible to discharge or reuse the electrode slurry flowing out to the step portion.
  • the electrode slurry discharge passage formed at a position corresponding to the step portion may have a structure in fluid connection with the electrode slurry supply portion of the electrode slurry coating die. Through this, it is possible to reuse the electrode slurry discharged through the electrode slurry discharge passage by supplying it to the electrode slurry supply unit.
  • the electrode slurry coating die according to the present invention refers to an apparatus for discharging electrode slurry on a current collector to form a coating layer.
  • the coating shim for discharging the electrode slurry refers to a coating shim inserted and mounted at the interface between the die blocks constituting the coating die.
  • the electrode slurry refers to a composition of a slurry state including an electrode active material.
  • the positive electrode or negative electrode means an electrode for a secondary battery, specifically, an electrode for a lithium secondary battery.
  • the electrode means a positive electrode and/or a negative electrode of a lithium secondary battery.
  • the positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer having a two-layer structure is laminated on a positive electrode current collector.
  • the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a conductive material, a binder polymer, and the like, and if necessary, may further include a positive electrode additive commonly used in the art.
  • the positive active material may be a lithium-containing oxide, and may be the same or different.
  • a lithium-containing transition metal oxide may be used as the lithium-containing oxide.
  • the positive active material may be included in an amount of 94.0 to 98.5 wt% in the positive active material layer.
  • the content of the positive electrode active material satisfies the above range, it is advantageous in terms of manufacturing a high-capacity battery and providing sufficient positive electrode conductivity or adhesion between electrode materials.
  • the current collector used for the positive electrode is a metal with high conductivity, and any metal that can be easily adhered to the positive electrode active material slurry and has no reactivity in the voltage range of the electrochemical device may be used.
  • the current collector for the positive electrode include a foil made of aluminum, nickel, or a combination thereof.
  • the positive active material layer further includes a conductive material.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the positive active material.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the secondary battery.
  • graphite such as natural graphite or artificial graphite
  • carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black
  • conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers
  • metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder
  • conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate
  • conductive metal oxides such as titanium oxide
  • At least one selected from the group consisting of polyphenylene derivatives and the like may be used.
  • the negative electrode has a structure in which a negative active material layer having a two-layer structure is laminated on a negative electrode current collector.
  • the anode active material layer includes an anode active material, a conductive material, a binder polymer, and the like, and if necessary, may further include an anode additive commonly used in the art.
  • the negative active material may include a carbon material, lithium metal, silicon or tin.
  • a carbon material is used as the negative electrode active material, both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used.
  • low crystalline carbon soft carbon and hard carbon are representative, and as high crystalline carbon, natural graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, and liquid crystal pitch-based carbon fiber are representative.
  • meophase pitch based carbon fiber carbon microspheres (mesocarbon microbeads), liquid crystal pitches (Mesophase pitches), and at least one type of high-temperature calcined carbon selected from the group consisting of petroleum and coal-based cokes (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) is representative to be.
  • Non-limiting examples of the current collector used for the negative electrode include a foil made of copper, gold, nickel, or a copper alloy, or a combination thereof.
  • the current collector may be used by stacking substrates made of the above materials.
  • the negative electrode may include a conductive material and a binder commonly used in the art.
  • the coating shim 100 has a structure in which the electrode slurry discharge direction is opened, and three surfaces except for the discharge direction are closed based on the horizontal cross-sectional structure.
  • the coating shim 100 is formed at both ends of the width direction of the open surface in the electrode slurry discharge direction, the guide portion 110 having a structure protruding in a direction to reduce the width of the discharge passage, the guide portion 110 ) has a structure in which a step portion 111 for increasing the width of the discharge passage is formed at the distal end in the discharge direction.
  • the width of the coating by discharging the electrode slurry from the coating shim 100 is determined by the distance between the guide parts 110 , and the coating uniformity of the electrode slurry discharged by the step part 111 is increased.
  • the coating shim 200 has a structure in which the electrode slurry discharge direction is opened and three surfaces except for the discharge direction are closed based on the horizontal cross-sectional structure.
  • the coating shim 200 is formed with a guide portion 210 having a structure protruding in a direction to decrease the width of the discharge passage at both ends of the width direction of the open surface in the electrode slurry discharge direction, the guide portion 210 ) has a structure in which a step portion 211 for increasing the width of the discharge passage is formed at the distal end in the discharge direction.
  • the guide part 210 has a shape in which the height protruding in the discharge direction continuously increases. Through this, while the width direction of the electrode slurry discharged through the coating shim 200 continuously decreases, the load on both ends in the width direction is prevented from increasing rapidly. In addition, the coating uniformity of the electrode slurry discharged by the step portion 211 is increased.
  • the coating die according to the present invention has a structure in which a coating shim 200 is inserted at an interface between adjacent die blocks (not shown).
  • the coating shim 200 is one of factors controlling the coating width and thickness by the discharged electrode slurry.
  • the electrode slurry is discharged to the current collector layer 300 moving at a predetermined distance from the discharge port of the coating die.
  • the current collector layer 300 is moved by a conveyor (not shown).
  • the discharged electrode slurry is coated on the current collector layer 300 to form the electrode mixture layer 400 .
  • the electrode mixture layer 400 is formed on the current collector layer 300 with a width indicated by T-T' corresponding to the width of the discharge hole of the coating die.
  • T-T' corresponding to the width of the discharge hole of the coating die.
  • the width of the electrode mixture layer 400 corresponds to the interval between the guide portions 210 of the coating shim 200 .
  • the coating width is controlled by forming guide portions 210 on both sides of the discharging direction end of the coating shim 200, but discharging by additionally forming a stepped portion 211 at the discharging direction distal end of the guide unit 210. It is possible to eliminate a sudden load applied to both ends of the electrode slurry in the width direction and to increase the coating uniformity. As another example, by forming an electrode slurry discharge flow path (not shown) at a position corresponding to the step portion 111 , it is possible to discharge a portion of the electrode slurry through the corresponding flow path.

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Abstract

본 발명은 전극 슬러리 토출용 코팅 심 및 이를 포함하는 코팅 다이에 관한 것으로, 본 발명을 통해 전극 슬러리를 높은 수준의 로딩량으로 코팅하는 경우에도 우수한 코팅 균일성을 확보할 수 있다.

Description

코팅 균일성이 우수한 전극 슬러리 토출용 코팅 심 및 이를 포함하는 코팅 다이
본 출원은 2019.12.27.자 한국 특허 출원 제10-2019-0175849호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 코팅 균일성이 우수한 전극 슬러리 코팅 심 및 이를 포함하는 코팅 다이에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지에 대한 적용 분야가 넓어짐에 따라 보다 고용량의 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있다. 이차전지의 용량을 높이는 방법으로, 전극 합제층의 로딩량을 높이는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 이차전지용 전극은 집전체 상에 전극 슬러리를 코팅한 후 건조 및 압연 과정을 거쳐 제조한다. 그러나, 전극 합제층의 로딩량을 높이기 위해서는, 집전체 상에 다량의 전극 슬러리를 코팅해야 한다. 전극 슬러리의 코팅량을 증가시키기 위해서는, 보다 높은 수준의 코팅 균일성이 요구된다.
도 1은 종래의 코팅 심을 나타낸 평면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 코팅 심(10)은 단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이다. 또한, 상기 코팅 심(10)에서, 전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는 가이드부(11)가 형성된다. 상기 가이드부(11)는 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조이다.
도 1에 개시된 코팅 심(10)을 이용하여 고로딩 코팅을 수행하게 되면, 코팅 폭 방향의 양 단부에 부하가 걸리게 된다. 코팅 폭 방향의 양 단부에 걸린 부하는 코팅 균일성을 저해하고 코팅 부위별 로딩량의 편차가 커지게 된다. 또한, 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 코팅한 후, 압연하는 과정을 거치게 되는데, 전극 집전체 상에 전극 슬러리가 불균일하게 코팅된 상태에서, 높은 압력으로 압연하게 되면 전지 셀의 발란스 및 용량이 저하되고, 심한 경우에는 단선의 위험이 있다.
따라서, 전극 슬러리 코팅시, 특히 고로딩시에도 우수한 코팅 균일성을 구현할 수 있는 기술에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 고로딩 코팅시 우수한 코팅 균일성을 확보할 수 있는 전극 슬러리 토출용 코팅 심 및 이를 포함하는 코팅 다이를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 슬러리 토출용 코팅 심을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 슬러리 토출용 코팅 심은, 전극 슬러리 토출 유로의 말단에 형성되되 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함하고, 상기 단차부는 전극 슬러리 토출 유로의 폭 방향 양측에 형성된 구조이다.
하나의 예에서, 상기 전극 슬러리 토출용 코팅 심은, 단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이며, 전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는, 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조의 가이드부가 형성되고, 상기 가이드부의 토출 방향의 말단에 형성되되, 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함한다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 단차부는 가이드부의 토출 방향의 말단에 수직 절곡된 형상으로 형성되어, 토출 유로의 폭이 일시에 증가하는 구조이다.
구체적인 예에서, 상기 단차부의 형성에 의해 증가하는 토출 유로의 폭은, 토출 유로의 폭 방향 길이를 기준으로, 0.5 내지 10% 범위이다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 가이드부는 토출 방향으로 돌출된 높이가 순차적 또는 연속적으로 증가하는 형상이다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 코팅 심을 포함하는 전극 슬러리 코팅 다이를 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 다이는, 서로 인접한 다이 블록; 및 상기 다이 블록 사이의 계면에 삽입되어 장착되는 코팅 심을 포함한다.
하나의 예에서, 상기 코팅 심은, 단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이며, 전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는, 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조의 가이드부가 형성되고, 상기 가이드부의 토출 방향의 말단에 형성되되, 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 전극 슬러리 코팅 다이에서, 코팅의 폭은 상기 코팅 심의 가이드부 사이의 간격에 의해 결정된다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극 슬러리 코팅 다이에서, 코팅의 폭은 상기 코팅 심의 가이드부 사이의 간격에 의해 결정되고, 코팅 심의 단차부에 대응되는 위치에 형성된 전극 슬러리 배출 유로를 더 포함한다.
본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 심 및 이를 포함하는 코팅 다이는, 전극 슬러리를 높은 수준의 로딩량으로 코팅하는 경우에도 우수한 코팅 균일성을 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 전극 슬러리 토출용 코팅 심의 평면도이다.
도 2 및 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 토출용 코팅 심의 평면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 코팅 다이를 이용한 전극 슬러리 코팅 과정을 도시한 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
본 발명은 전극 슬러리 토출용 코팅 심을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 슬러리 토출용 코팅 심은, 전극 슬러리 토출 유로의 말단에 형성되되 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함한다.
본 발명에서는 코팅 심의 토출 유로 말단에 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 단차부 형성을 통해, 코팅시 폭 방향 양측 단부에 부하가 걸리는 것을 해소할 수 있다. 또한, 상기 코팅 심을 이용하여 전극 슬러리를 토출할 경우, 전극 슬러리의 코팅 균일성을 높일 수 있다. 본 발명에 따른 코팅 심을 적용할 경우, 전극 슬러리를 높은 로딩량으로 코팅하는 경우에도 코팅 균일성을 높일 수 있다. 코팅 균일성이 우수한 코팅층은, 추후 건조 및 압연 과정을 거치더라도 부위별 두께가 달라지거나 단선되는 현상을 방지할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 전극 슬러리 토출용 코팅 심은, 단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이며, 전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는, 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조의 가이드부가 형성되고, 상기 가이드부의 토출 방향의 말단에 형성되되, 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함한다. 코팅 다이에 상기 코팅 심을 장착하게 되면, 코팅 심의 토출 방향과 수직되는 방향으로 전극 슬러리가 공급된다. 공급된 전극 슬러리는 코팅 심의 토출 방향으로 토출된다. 이 때, 가이드부를 형성함으로써, 코팅 폭을 제어하게 된다. 상기 가이드부는 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조이다. 본 발명은 상기 가이드부의 토출 방향 말단에 단차부를 형성한 구조를 포함한다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 단차부는, 전극 슬러리 토출 유로의 폭 방향 양측에 형성된 구조이다. 본 발명에 따른 전극 슬러리 토출용 코팅 심은 토출 유로의 말단 양측에 단차부를 형성하고, 이를 통해 토출 유로 양측 단부에 걸리는 부하를 균일하게 제거 내지 경감하게 된다.
하나의 실시예에서, 상기 단차부는 가이드부의 토출 방향의 말단에 수직 절곡된 형상으로 형성되어, 토출 유로의 폭이 일시에 증가하는 구조이다. 본 발명에 따른 코팅 심에서, 상기 단차부는 토출 방향의 말단에 수직 절곡된 형상으로 형성된다. 이를 통해, 전극 슬러리가 토출되기 직전에 일시적이면서 급격한 감압 조건을 제공한다.
구체적인 실시예에서, 상기 단차부의 형성에 의해 증가하는 토출 유로의 폭은, 토출 유로의 폭 방향 길이를 기준으로, 0.5 내지 10% 범위이다. 보다 구체적으로는, 상기 단차부의 형성에 의해 증가하는 토출 유로의 폭은, 토출 유로의 폭 방향 길이를 기준으로, 0.5 내지 5%, 3 내지 10% 또는 3 내지 8% 범위이다. 상기 단차부에 의한 토출 유로의 증가 폭은, 단차부를 포함한 전체 토출 유로의 폭 방향 길이에 대한 단차부 형성에 따라 증가된 토출 유로의 폭 방향 길이의 비를 나타낸 것이다. 상기 단차부에 의한 토출 유로의 증가 폭의 범위는 토출 효율과 코팅 균일성을 반영한 것이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 가이드부는 토출 방향으로 돌출된 높이가 순차적 또는 연속적으로 증가하는 형상이다. 상기 가이드부는 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조이다. 그러나, 상기 가이드부가 토출 방향에 대해 직각으로 형성된 구조이면, 토출 유로의 폭 방향 양측 단부에 부하가 급격히 걸리게 되고, 경우에 따라서는 부분적인 환류 형상이 야기될 수 있다. 본 발명에서는 상기 가이드부를 토출 방향으로 돌출된 높이가 순차적 또는 연속적으로 증가하도록 형성함으로써, 이러한 현상을 저감 내지 차단할 수 있다. 예를 들어, 상기 가이드부는 토출 방향에 대해 약 5° 내지 45°의 평균 경사각을 갖도록 돌출된 구조일 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 코팅 심을 포함하는 전극 슬러리 코팅 다이를 제공한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 다이는, 서로 인접한 다이 블록; 및 상기 다이 블록 사이의 계면에 삽입되어 장착되는 코팅 심을 포함한다. 상기 코팅 다이는 서로 인접한 2개의 다이 블록(2P)을 포함할 수 있으며, 경우에 따라서는 서로 인접한 4개의 다이 블록(4P)을 포함하는 경우도 가능하다. 예를 들어, 상기 코팅 다이는 제1 내지 제4 다이 블록이 서로 인접한 구조이고, 제1 및 제2 다이 블록 사이, 그리고 제3 및 제4 다이 블록 사이에 코팅 심이 삽입되어 장착된 구조일 수 있다. 4개의 다이 블록(4P)을 포함하는 경우는, 집전체층 상에 전극 슬러리를 순차적으로 2차례 코팅하며, 이를 통해 이중층 구조의 전극 합제층을 형성할 수 있다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 코팅 심은, 단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이며, 전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는, 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조의 가이드부가 형성되고, 상기 가이드부의 토출 방향의 말단에 형성되되, 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함하는 구조이다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 코팅 심은 가이드부를 형성함으로써 토출 유로의 폭을 제어하게 된다. 본 발명은 상기 가이드부의 토출 방향 말단에 단차부를 형성하는 구조를 포함한다. 이를 통해, 본발명에 따른 코팅 다이는 코팅의 폭은 제어하되, 폭 방향 양측 단부에 불필요한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 다이에서, 코팅의 폭은 코팅 심의 가이드부 사이의 간격에 의해 결정된다. 또한, 코팅의 두께는 코팅 심의 두께에 대응하며, 토출 압력이나 집전체층의 이격 거리에 부분적으로 영향을 받게 된다. 본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 다이에서는, 코팅 심의 가이드부 사이의 간격에 의해 코팅 폭을 결정하되, 토출 유로의 말단에 단차부를 형성함으로써 특정 부위에 부하가 과도하게 걸리는 것을 방지하고, 코팅의 균일성을 현저히 높일 수 있다. 하나의 실시예에서, 상기 전극 슬러리 코팅 다이는, 코팅 심의 단차부에 대응되는 위치에 형성된 전극 슬러리 배출 유로를 더 포함한다. 코팅 심의 단차부 형성을 통해 코팅의 균일성을 높이되, 토출되는 전극 슬러리의 일부가 상기 단차부 쪽으로 유출될 수 있다. 본 발명에서는 코팅 심의 단차부에 대응되는 위치에 형성된 전극 슬러리 배출 유로를 형성함으로써, 단차부로 유출되는 전극 슬러리를 배출 내지 재사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 단차부에 대응되는 위치에 형성된 전극 슬러리 배출 유로는 전극 슬러리 코팅 다이의 전극 슬러리 공급부와 유체 연결된 구조일 수 있다. 이를 통해, 상기 전극 슬러리 배출 유로를 통해 배출된 전극 슬러리를 전극 슬러리 공급부로 공급하여 재사용하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 전극 슬러리 코팅 다이는, 전극 슬러리를 집전체 상에 토출하여 코팅층을 형성하는 장치를 의미한다. 또한, 본 발명에서 전극 슬러리 토출용 코팅 심은, 상기 코팅 다이를 구성하는 다이 블록들 사이의 계면에 삽입되어 장착되는 코팅 심을 의미한다.
상기 전극 슬러리는 전극 활물질을 포함하는 슬러리 상태의 조성을 총칭한다. 상기 양극 또는 음극은 이차전지용 전극을 의미하고, 구체적으로는 리튬 이차전지용 전극을 의미한다.
하나의 예에서, 상기 전극은 리튬 이차전지의 양극 및/또는 음극을 의미한다.
상기 양극은, 양극 집전체 상에 이층 구조의 양극 활물질층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 양극 활물질층은 양극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은, Li xCoO 2(0.5<x<1.3), Li xNiO 2(0.5<x<1.3), Li xMnO 2(0.5<x<1.3), Li xMn 2O 4(0.5<x<1.3), Li x(Ni aCo bMn c)O 2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), Li xNi 1-yCo yO 2(0.5<x<1.3, 0<y<1), Li xCo 1-yMn yO 2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), Li xNi 1-yMn yO 2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Li x(Ni aCo bMn c)O 4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), Li xMn 2-zNi zO 4(0.5<x<1.3, 0<z<2), Li xMn 2-zCo zO 4(0.5<x<1.3, 0<z<2), Li xCoPO 4(0.5<x<1.3) 및 Li xFePO 4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상도 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 활물질층 중에 94.0 내지 98.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 양극 활물질의 함량이 상기 범위를 만족할 때 고용량 전지의 제작, 그리고 충분한 양극의 도전성이나 전극재간 접착력을 부여하는 면에서 유리하다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 전기화학소자의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
양극 활물질층은 도전재를 더 포함한다. 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재로는 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 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 음극은, 음극 집전체의 상에 이층 구조의 음극 활물질층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 음극 활물질층은 음극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 음극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 포함할 수 있다. 음극 활물질로서 탄소재가 사용되는 경우, 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극에 사용되는 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
또한, 상기 음극은 당해 분야에 통상적으로 사용되는 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
이하, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
(제1 실시 형태)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 토출용 코팅 심의 평면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 코팅 심(100)은, 수평 방향 단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이다. 또한, 상기 코팅 심(100)은 전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는, 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조의 가이드부(110)가 형성되고, 상기 가이드부(110)의 토출 방향의 말단에는 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부(111)가 형성된 구조이다. 상기 코팅 심(100)에서 전극 슬러리 토출에 의한 코팅의 폭은 가이드부(110) 사이의 간격에 의해 결정되며, 상기 단차부(111)에 의해 토출되는 전극 슬러리의 코팅 균일성을 높이게 된다.
(제2 실시 형태)
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극 슬러리 토출용 코팅 심의 평면도이다. 도 3을 참조하면, 상기 코팅 심(200)은, 수평 방향 단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이다. 또한, 상기 코팅 심(200)은 전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는, 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조의 가이드부(210)가 형성되고, 상기 가이드부(210)의 토출 방향의 말단에는 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부(211)가 형성된 구조이다. 상기 가이드부(210)는 토출 방향으로 돌출된 높이가 연속적으로 증가하는 형상이다. 이를 통해, 상기 코팅 심(200)을 통해 토출되는 전극 슬러리의 폭 방향 너비가 연속적으로 감소하면서, 폭 방향 양쪽 단부에 부하가 급증하는 것을 방지한다. 또한, 상기 단차부(211)에 의해 토출되는 전극 슬러리의 코팅 균일성을 높이게 된다.
(제3 실시 형태)
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 코팅 다이를 이용한 전극 슬러리 코팅 과정을 도시한 모식도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 코팅 다이는 서로 인접한 다이 블록(미도시) 사이의 계면에 코팅 심(200)이 삽입된 구조이다. 상기 코팅 심(200)은 토출되는 전극 슬러리에 의한 코팅 폭과 두께를 제어하는 인자 중 하나이다.
구체적으로는, 코팅 다이의 토출구와 일정 간격이 이격되어 이동하는 집전체층(300)에 전극 슬러리를 토출한다. 상기 집전체층(300)은 컨베이어(미도시)에 의해 이동하게 된다. 토출된 전극 슬러리는 집전체층(300) 상에 코팅되어 전극 합제층(400)을 형성한다. 상기 전극 합제층(400)은 코팅 다이의 토출구의 폭에 대응하여 T-T'으로 표시된 폭으로 집전체층(300) 상에 형성된다. 한편, 전극 합제층(400)의 폭은 코팅 심(200)의 가이드부(210) 사이의 간격에 대응됨을 알 수 있다. 본 발명에서는 코팅 심(200)의 토출 방향 말단 양측에 가이드부(210)를 형성하여 코팅 폭을 제어하되, 상기 가이드부(210)의 토출 방향 말단에 단차부(211)를 추가 형성함으로써 토출되는 전극 슬러리의 폭 방향 양측 단부에 급격한 부하가 걸리는 것을 해소하고 코팅 균일성을 높일 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 단차부(111)에 대응되는 위치에 전극 슬러리 배출 유로(미도시)를 형성함으로써, 해당 유로를 통해 전극 슬러리의 일부를 배출하는 것이 가능하다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 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.
[부호의 설명]
10, 100, 200: 코팅 심
11, 110, 210: 가이드부
111, 211: 단차부
300: 집전체층
400: 전극 합제층

Claims (10)

  1. 전극 슬러리 토출 유로의 말단에 형성되되, 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함하고,
    상기 단차부는, 전극 슬러리 토출 유로의 폭 방향 양측에 형성된 구조인 전극 슬러리 토출용 코팅 심.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이며,
    전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는, 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조의 가이드부가 형성되고,
    상기 가이드부의 토출 방향의 말단에 형성되되, 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함하는 전극 슬러리 토출용 코팅 심.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단차부는 가이드부의 토출 방향의 말단에 수직 절곡된 형상으로 형성되어, 토출 유로의 폭이 일시에 증가하는 구조인 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 토출용 코팅 심.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 단차부의 형성에 의해 증가하는 토출 유로의 폭은,
    토출 유로의 폭 방향 길이를 기준으로, 0.5 내지 10% 범위인 전극 슬러리 토출용 코팅 심.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 가이드부는 토출 방향으로 돌출된 높이가 순차적 또는 연속적으로 증가하는 형상인 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 토출용 코팅 심.
  6. 제 1 항에 따른 코팅 심을 포함하는 전극 슬러리 코팅 다이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    서로 인접한 다이 블록; 및 상기 다이 블록 사이의 계면에 삽입되어 장착되는 코팅 심을 포함하는 전극 슬러리 코팅 다이.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 코팅 심은,
    단면 구조를 기준으로, 전극 슬러리 토출 방향이 개방되고, 상기 토출 방향을 제외한 삼면이 폐쇄된 구조이며,
    전극 슬러리 토출 방향의 개방면의 폭 방향 양측 단부에는, 토출 유로의 폭을 감소시키는 방향으로 돌출된 구조의 가이드부가 형성되고,
    상기 가이드부의 토출 방향의 말단에 형성되되, 토출 유로의 폭을 증가시키는 단차부를 포함하는 구조인 전극 슬러리 코팅 다이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극 슬러리 코팅 다이에서,
    코팅의 폭은 상기 코팅 심의 가이드부 사이의 간격에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전극 슬러리 코팅 다이.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극 슬러리 코팅 다이에서,
    코팅의 폭은 상기 코팅 심의 가이드부 사이의 간격에 의해 결정되고,
    코팅 심의 단차부에 대응되는 위치에 형성된 전극 슬러리 배출 유로를 더 포함하는 전극 슬러리 코팅 다이.
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