WO2022086009A1 - 전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법 - Google Patents

전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법 Download PDF

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최상훈
송동헌
전신욱
이창훈
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode manufacturing system having excellent coating uniformity of an electrode slurry and an electrode manufacturing method using 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 through drying and rolling processes after coating the electrode slurry on a current collector.
  • a higher level of coating uniformity is required.
  • 1 shows a conventional electrode manufacturing process. 1 illustrates a process of discharging an electrode slurry through an electrode slurry slot die on an electrode current collector positioned on a coating roller.
  • the electrode slurry slot die 20 discharges the electrode slurry on the current collector layer 10 passing over the coating roller 30 rotating in one direction (R).
  • the electrode current collector 10 is transferred in the MD direction (Mechanical Direction, F) while passing through the coating roller 30 rotating in one direction (R).
  • the electrode slurry slot die 20 has a specific width D on the electrode current collector 10 by discharging and drying the electrode slurry on the electrode current collector 30 through the electrode slurry discharging part 21 .
  • the electrode mixture layer 31 coated with the electrode slurry is formed.
  • the interval between the electrode slurry discharge unit 21 and the coating roller 10 should be controlled to be constant.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electrode manufacturing system capable of implementing coating uniformity when coating an electrode slurry on both sides of an electrode current collector, and an electrode manufacturing method using the same.
  • the present invention provides a method for manufacturing an electrode.
  • the electrode manufacturing system while the electrode current collector passes on the first coating roller, discharges the electrode slurry to a first surface opposite to the surface in which the electrode current collector is in contact with the first coating roller a first coating unit; a primary drying furnace for drying the electrode current collector coated with the electrode slurry on the first surface; n (n is an integer between 1 and 20) heat pipe guide rollers for heating the electrode current collector that has passed through the first drying furnace to reduce a temperature deviation in the width direction of the electrode current collector; a second coating unit discharging the electrode slurry to a second surface opposite to the surface in which the electrode current collector is in contact with the second coating roller while the electrode current collector passes over the second coating roller; and a secondary drying furnace for drying the electrode current collector on which the electrode slurry is coated on the second surface.
  • the heat pipe guide roller is located on the movement path of the electrode current collector between the outlet of the primary drying furnace and the inlet of the second coating unit.
  • two to four heat pipe guide rollers are positioned on the electrode current collector movement path between the outlet of the primary drying furnace and the inlet of the second coating unit.
  • a distance between the electrode slurry discharge part and the surface of the second coating roller satisfies the following condition 1.
  • Gap side represents the separation distance between the electrode slurry discharge part at the center and the surface of the second coating roller based on the TD direction (Traverse Direction) of the second coating roller,
  • Gap center represents the separation distance between the electrode slurry discharge part in the side part and the surface of the second coating roller based on the TD direction (Traverse Direction) of the second coating roller.
  • the second coating roller has a structure including a flow path through which a constant temperature medium passes inside the roller.
  • the electrode manufacturing system according to the present invention is formed in front of the first coating unit, the unwinder unit for supplying the electrode current collector to the first coating unit; and a rewinder unit formed at the rear end by secondary drying to wind up the electrode substrate on which the electrode slurry coating and drying are completed.
  • the electrode manufacturing system includes a conveyor line that continuously transports the electrode current collector from the time it is supplied from the unwinder unit until it is wound on the rewinder unit.
  • the electrode manufacturing system according to the present invention includes a reverse roller positioned between the primary drying furnace and the second coating unit, and for reversing the positions of the first and second surfaces of the electrode current collector.
  • the electrode manufacturing system according to the present invention includes a temperature sensor for detecting the surface temperature of the electrode current collector passing on the heat pipe guide roller.
  • the present invention provides an electrode manufacturing method to which the above-described electrode manufacturing system is applied.
  • the electrode manufacturing method according to the present invention a first coating step of coating the electrode slurry on the first surface of the electrode current collector in a state supported by the first coating roller; A primary drying step in which the electrode current collector coated with the electrode slurry on the first surface passes through a drying furnace; a temperature deviation reduction step in which the electrode current collector that has undergone the first drying step passes through n heat pipe guide rollers (n is an integer between 1 and 20); a second coating step of coating the electrode slurry on the second surface of the electrode current collector while the electrode current collector is supported on the second coating roller; and a secondary drying step in which the electrode current collector coated with the electrode slurry on the second surface passes through a drying furnace.
  • the temperature of each region of the electrode current collector that has undergone the temperature deviation reduction step satisfies the following condition 2 .
  • T side represents the average value of the temperature at 10% and 90% points based on the width direction of the electrode current collector
  • T center represents the temperature at the center point with respect to the width direction of the electrode current collector.
  • the first coating step to the second drying step are performed by a continuous process.
  • the electrode manufacturing method according to the present invention includes a reverse step of inverting the first surface and the second surface with respect to the electrode current collector that has undergone the primary drying step.
  • the second coating roller in the second coating step, the second coating roller, based on the TD direction (Traverse Direction), the temperature deviation between the central portion and the side portion is 2 °C or less. This can be accomplished by including a flow path through which the constant temperature medium passes inside the second coating roller.
  • the electrode to be manufactured in the present invention is an electrode for a pouch-type secondary battery.
  • FIG. 1 illustrates a process of discharging an electrode slurry through an electrode slurry slot die on an electrode current collector positioned on a coating roller in a conventional manner.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an electrode manufacturing system according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a result of photographing the surface temperature of the electrode current collector through the heat pipe guide roller with a thermal imaging camera.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an electrode manufacturing system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the formation position of the heat pipe guide roller in the electrode manufacturing system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a separation distance between a second coating roller whose surface is non-uniformly heated by an electrode current collector whose cooling has not been completed and a discharge portion of the electrode slurry slot die.
  • FIG 9 schematically shows a second coating roller according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a second coating roller according to an embodiment of the present invention.
  • 11 is a graph showing the result of measuring the loading amount of the electrode slurry discharged from the second electrode slurry slot die based on the difference in the amount of deformation between the side portion and the center portion of the second coating roller.
  • the present invention provides an electrode manufacturing system.
  • the electrode manufacturing system according to the present invention applies the electrode slurry to the first surface opposite to the surface in which the electrode current collector is in contact with the first coating roller while the electrode current collector passes over the first coating roller.
  • a first coating unit for discharging a primary drying furnace for drying the electrode current collector coated with the electrode slurry on the first surface;
  • n heat pipe guide rollers (n is an integer between 1 and 20) for heating the electrode current collector that has passed through the first drying furnace to reduce a temperature deviation in the width direction of the electrode current collector;
  • a second coating unit discharging the electrode slurry to a second surface opposite to the surface in which the electrode current collector is in contact with the second coating roller while the electrode current collector passes over the second coating roller; and a secondary drying furnace for drying the electrode current collector coated with the electrode slurry on the second surface.
  • the number of the heat pipe guide rollers ranges from 1 to 15, 1 to 10, 1 to 5, 2 to 4, or 2 to 3.
  • the heat pipe guide roller is located on the electrode current collector movement path between the outlet of the primary drying furnace and the inlet of the second coating unit.
  • the electrode current collector that has passed through the primary drying furnace passes through the heat pipe guide roller before being introduced into the second coating part.
  • the heat pipe guide roller may be formed at the exit of the primary drying furnace, the intermediate point of the light oil described above, and/or the point before the introduction of the second coating unit.
  • two to four heat pipe guide rollers are located on the movement path of the electrode current collector between the outlet of the primary drying furnace and the inlet of the second coating unit.
  • one or more heat pipe guide rollers may be formed.
  • the temperature deviation in the width direction of the electrode current collector may be controlled to 2° C. or less.
  • the temperature deviation in the width direction of the electrode current collector may be controlled to 1° C. or less.
  • the separation distance between the electrode slurry discharge part and the surface of the second coating roller satisfies the following condition 1.
  • Gap side represents the separation distance between the electrode slurry discharge part at the center and the surface of the second coating roller based on the TD direction (Traverse Direction) of the second coating roller,
  • Gap center represents the separation distance between the electrode slurry discharge part in the side part and the surface of the second coating roller based on the TD direction (Traverse Direction) of the second coating roller.
  • the 'center' of the roller means an intermediate point based on the width direction or the length of the roller in the TD direction.
  • the 'side part' of the roller means a 10% point and/or a 90% point based on the width direction or the TD direction length of the roller.
  • the separation distance or temperature of the 'side portion' of the roller represents an average value of values measured at 10% and 90% points, respectively, based on the width or TD direction length of the roller.
  • a process of forming an electrode mixture layer on both surfaces of an electrode current collector is applied.
  • the electrode substrate that has undergone the primary coating and primary drying is introduced into the secondary coating in a state in which cooling is not completed.
  • heat is transferred to the coating roller.
  • the coating roller is heated by the transferred heat and exhibits different volume expansion for each area.
  • the separation distance between the electrode slurry discharge part and the surface of the second coating roller is maintained constant.
  • the numerical value of Condition 1 described above is 5 ⁇ m or less, specifically, in the range of 0.01 to 5 ⁇ m, in the range of 0.1 to 5 ⁇ m, in the range of 1 to 5 ⁇ m, in the range of 1.5 to 4.5 ⁇ m, in the range of 2 to 4 ⁇ m or in the range of 1 to 3 ⁇ m. is the range In the present invention, when the condition 1 satisfies 0 ⁇ m, it means that the particle diameter of the second coating roller is substantially the same for each area, and when it is 0.01 ⁇ m, the measurement limit is considered.
  • the second coating roller has a structure including a flow path through which a constant temperature medium passes inside the roller.
  • the temperature of the second coating roller is controlled within a certain range, and at the same time, a uniform temperature for each region is realized.
  • the present invention is different from the technology of inducing deformation of a specific area of the coating roller by heating or cooling the area.
  • a 'constant temperature medium' means a medium controlled to a temperature within a specific range, and may be a gaseous or liquid medium.
  • the constant temperature medium is water or oil in a constant temperature state, or air or an inert gas whose temperature is controlled within a specific range.
  • the constant temperature medium is warm water.
  • the electrode current collector passing through the primary drying furnace described above is in a state in which cooling is not completed, for example, it exhibits a temperature of 300° C. or higher.
  • the surface temperature of the second electrode roller is also heated to a similar temperature range.
  • the second coating roller heated to a high temperature not only exhibits a non-uniform temperature distribution for each region, but also has a problem in that the volume expansion rate of the center portion and the side portion are different from each other.
  • the present invention by forming a flow path through which the constant temperature medium passes inside the second coating roller, the temperature non-uniformity of the roller itself is resolved and the temperature is maintained at a temperature at which the difference in volume expansion rate is small for each area.
  • an object of the present invention is to control the temperature of the coating roller to a temperature with a small difference in the amount of deformation for each region, in addition to simply lowering the temperature of the coating roller.
  • the second coating roller in a state in which the electrode current collector is supported; a rotating shaft for applying a driving force to the roller rotating surface; a temperature controller including a heater for heating the introduced coolant; and a constant-temperature water passage through which the constant-temperature water supplied from the temperature controller passes.
  • the constant-temperature water flow path has a structure equally distributed on the inner surface of the roller rotating surface. Through this, in the present invention, it is possible to uniformly control the temperature of the outer diameter of the second coating roller as a whole.
  • the constant temperature water flow path has a water jacket shape for uniformly heating the inner surface of the second coating roller.
  • the water jacket-shaped constant temperature water flow path may be in close contact with the inner surface of the second coating roller.
  • the surface temperature of the second coating roller is controlled, for example, in an average range of 31 to 33°C.
  • the electrode manufacturing system is formed in front of the first coating portion unwinder for supplying the electrode current collector to the first coating portion; and a rewinder unit formed at the rear end by secondary drying to wind up the electrode substrate on which the electrode slurry coating and drying are completed.
  • the electrode current collector in the form of a metal foil is supplied while being wound on the unwinder.
  • the supplied electrode current collector sequentially includes a first coating unit for discharging the electrode slurry to the first surface, a primary drying furnace, a second coating unit discharging the electrode slurry to the second surface of the electrode current collector, and a secondary drying furnace. After passing through, it is wound on a rewinder unit.
  • the electrode current collector after both-side coating and drying of the electrode slurry is completed is wound in the rewinder unit, and then goes through the next step, such as a slitting unit or a punching unit.
  • the electrode manufacturing system according to the present invention includes a conveyor line for continuously transporting the electrode current collector from the time it is supplied from the unwinder unit until it is wound on the rewinder unit.
  • the electrode manufacturing system according to the present invention can increase process efficiency and increase product uniformity by manufacturing an electrode through a continuous process.
  • the conveyor line continuously supplies and transports the electrode current collector, and the electrode current collector sequentially passes through the first coating unit, the primary drying furnace, the second coating unit, and the secondary drying furnace.
  • the electrode manufacturing system according to the present invention includes a reverse roller that is positioned between the primary drying furnace and the second coating unit, and reverses the positions of the first and second surfaces of the electrode current collector.
  • the electrode current collector that has passed through the first coating unit and the primary drying furnace is introduced into the second coating unit after the upper and lower positions are reversed by a reverse roller.
  • the electrode current collector proceeds in the MD direction, but the vertical position is inverted in the TD direction.
  • the first coating unit and the primary drying furnace are located at the lower end, and the second coating unit is located at the upper end, so that the electrode current collector passing through the secondary drying furnace proceeds in the direction (MD direction). ) is changed from the first direction to a second direction perpendicular to the second direction and passes through the second coating unit.
  • the electrode manufacturing system includes a temperature sensor for detecting the surface temperature of each area of the second coating roller.
  • the temperature sensor may measure the overall average temperature of the second coating roller, but the second coating roller may be divided into a plurality of regions in the TD direction and temperature measurement may be performed for each divided region. By dividing the second coating roller into 3 to 10 areas in the TD direction and measuring the temperature for each divided area, it is possible to predict or calculate the separation distance of the second coating part from the slurry discharge part for each area.
  • the present invention provides an electrode manufacturing method using the above-described electrode manufacturing system.
  • the electrode manufacturing method according to the present invention a first coating step of coating the electrode slurry on the first surface of the electrode current collector in a state supported by the first coating roller; A primary drying step in which the electrode current collector coated with the electrode slurry on the first surface passes through a drying furnace; a temperature deviation reduction step in which the electrode current collector that has undergone the first drying step passes through n heat pipe guide rollers (n is an integer between 1 and 20); a second coating step of coating the electrode slurry on the second surface of the electrode current collector while the electrode current collector is supported on the second coating roller; and a secondary drying step in which the electrode current collector coated with the electrode slurry on the second surface passes through a drying furnace.
  • the temperature of each region of the electrode current collector that has undergone the temperature deviation reduction step satisfies the following condition 2 .
  • T side represents the average value of the temperature at 10% and 90% points based on the width direction of the electrode current collector
  • T center represents the temperature at the center point with respect to the width direction of the electrode current collector.
  • the deviation between the central temperature (T center ) and the side temperature (T side ) of the electrode current collector is 2° C. or less, 0.01 to 2° C., 0.1 to 2° C., 0.2 to 2 °C range, 1.2-2 °C range, 0.2-0.9 °C range or 0.3-0.7 °C range.
  • the present invention minimizes the temperature deviation for each region based on the width direction of the electrode current collector, and specifically controls it in a specific range. Through this, in the second coating step, the discharge amount of the electrode slurry discharged on the electrode current collector is constantly controlled.
  • the first coating step to the second drying step are performed by a continuous process. This can be performed through a conveyor line or the like that continuously transports the electrode current collector, and process efficiency and product uniformity can be improved.
  • the electrode manufacturing method according to the present invention may perform a reverse step of inverting the first surface and the second surface with respect to the electrode current collector that has undergone the primary drying step.
  • This reverse step can be performed through a reverse roller or the like, and after the electrode current collector coated with the electrode slurry is first dried, the electrode slurry is coated on the second surface of the electrode current collector.
  • the second coating roller based on the TD direction (Traverse Direction), the temperature deviation between the central portion and the side portion is 2 °C or less.
  • the second coating roller the temperature deviation between the central portion and the side portion is 2 °C or less, 0.01 to 2 °C range, or 0.5 to 1.5 °C range.
  • the present invention minimizes the temperature deviation for each area based on the surface temperature of the second coating roller, and specifically controls it in a specific range. Through this, the discharge amount of the electrode slurry discharged on the electrode current collector passing through the second coating roller is constantly controlled.
  • the second coating roller has a structure that circulates the constant temperature medium through a flow path formed inside the roller.
  • the constant temperature medium is water or oil in a constant temperature state, or air or an inert gas whose temperature is controlled within a specific range.
  • the constant temperature medium is warm water.
  • the second coating roller based on the TD direction (Traverse Direction), the temperature of the central portion and the side portion is in the range of 30 to 33 °C, respectively. Specifically, in the second coating roller, the temperature of the central portion and the side portion is in the range of 31 to 33° C., respectively.
  • the present invention by controlling the surface temperature of the second coating roller in a specific range, it was confirmed that the amount of deformation at both points can be adjusted to the same or equivalent level.
  • the electrode to be manufactured in the present invention is an electrode for a pouch-type secondary battery.
  • 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, and a binder polymer, 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 imparting 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.
  • Soft carbon and hard carbon are representative of low crystalline carbon
  • natural graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, and liquid crystal pitch-based carbon fiber are representative of high crystalline carbon.
  • meophase pitch based carbon fiber carbon microspheres (mesocarbon microbeads), liquid crystal pitch (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 am.
  • 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.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an electrode manufacturing system according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode current collector 110 is supplied from the unwinder 151 .
  • the supplied electrode current collector 110 passes over the first coating roller 131 .
  • the electrode slurry is discharged from the electrode slurry slot die 121 and a first electrode mixture layer ( 111) is formed.
  • the electrode current collector 110 passes through the primary drying furnace 141 , the first surface and the second surface are reversed by a reverse roller (not shown).
  • the electrode current collector 110 passes over the second coating roller 100 , and at this time, the electrode slurry is discharged from the second electrode slurry slot die 122 to form the second electrode mixture layer 112 .
  • the electrode current collector 110 passes through the secondary drying furnace, and then is wound in the rewinder 152 .
  • the electrode current collector 110 passing through the primary drying furnace 141 passes through the second coating roller 100 in a state in which cooling is not completed.
  • the surface of the second coating roller 100 is non-uniformly heated by the electrode current collector 110 that has not been cooled.
  • the non-uniformly heated second coating roller 100 causes different volume expansion for each area, and the separation distance from the discharge part of the second electrode slurry slot die 122 becomes non-uniform according to the heated temperature.
  • the electrode current collector 110 passing through the primary drying furnace 141 passes through the heat pipe guide roller.
  • the heat pipe guide roller 101 has a structure in which a heating coil or a constant temperature water flow path is incorporated. Through this, the heat pipe guide roller 101 serves to control the electrode current collector 110 to have a uniform temperature in the width direction.
  • FIG. 3 is a result of photographing the surface temperature of the electrode current collector 110 passing through the heat pipe guide roller 101 with a thermal imaging camera. Referring to FIG. 3 , it can be seen that the temperature of the electrode current collector 110 heated through the primary drying furnace 141 is non-uniform in the width direction (TD direction). As the electrode current collector 110 passes through the heat pipe guide roller 101, it can be seen that this temperature non-uniformity is largely resolved.
  • the electrode current collector 110 supplied from the unwinder 151 includes a first coating part including one coating roller 131 and an electrode slurry slot die 121 ; primary drying furnace 141; a second coating unit including a second coating roller 100 and a second electrode slurry slot die 122; And it is wound on the rewinder 152 through the secondary drying furnace (142).
  • Three heat pipe guide rollers 101 , 102 , 103 are positioned on the movement path of the electrode current collector 110 between the primary drying furnace 141 and the second coating unit. Each of the heat pipe guide rollers 101 , 102 , 103 is respectively positioned at the outlet of the primary drying furnace 141 , the intermediate point, and the point before the introduction of the second coating unit.
  • FIG. 5 is a schematic view showing the result of photographing the change in surface temperature with a thermal imaging camera while the electrode current collector 110 passes through the three heat pipe guide rollers 101 , 102 , 103 .
  • the electrode current collector 110 heated through the primary drying furnace 141 has a non-uniform temperature in the width direction (TD direction), and the three heat pipe guide rollers 101 , 102 , 103 are sequentially applied. It can be seen that the temperature non-uniformity state is rapidly alleviated while passing through.
  • the temperature deviation in the width direction of the electrode current collector according to the position of the heat pipe guide roller was measured.
  • one heat pipe guide roller was installed, respectively, and the positions thereof are points indicated by reference numerals (1) to (5) shown in FIG. 6 .
  • the surface temperature of the heat pipe guide roller was controlled to 30°C.
  • Table 1 The measurement results are shown in Table 1 below.
  • the side temperature is the average value of the temperatures measured at 10% and 90% points, respectively, based on the width direction length of the electrode current collector
  • the central portion temperature is the temperature at the middle point based on the width direction length of the electrode current collector am.
  • the temperature of the electrode current collector was measured at a point before the electrode current collector introduced the second coating part (position: (5)).
  • Example 1 (1) Primary drying furnace exit 36.8 38.3 1.5
  • Example 2 (3) midpoint 32.3 34.1 1.8
  • Example 3 Before introduction of the second coating part 26.9 28.8 1.9
  • the temperature difference between the side portion and the central portion of the electrode current collector is controlled to 2° C. or less.
  • the temperature deviation may vary depending on the application position of the heat pipe guide roller, it can be seen that the temperature deviation reduction effect is excellent as it is located closer to the outlet of the primary drying furnace.
  • the temperature difference between the side part and the center part of the electrode current collector measured at the point before the introduction of the second coating part is 2.8 ° C. was measured.
  • the temperature deviation in the width direction of the electrode current collector according to the position of the heat pipe guide roller was measured.
  • 2 to 5 heat pipe guide rollers are installed, respectively, and their positions are points indicated by reference numerals (1) to (5) shown in FIG. 5 .
  • the surface temperature of the heat pipe guide roller was controlled to 30°C.
  • Table 2 The measurement results are shown in Table 2 below.
  • the side temperature is the average value of the temperatures measured at 10% and 90% points, respectively, based on the width direction length of the electrode current collector
  • the central part temperature is the temperature at the middle point based on the width direction length of the electrode current collector am.
  • the temperature of the electrode current collector is measured at a point before the electrode current collector introduces the second coating part (position: (5)).
  • the temperature deviation in the width direction of the electrode current collector is significantly reduced. Specifically, when two or more heat pipe guide rollers are applied, the temperature deviation in the width direction of the electrode current collector is controlled to 1°C or less. However, it can be seen that when five or more heat pipe guide rollers are applied, the efficiency decreases accordingly.
  • FIG. 3 The result of photographing the surface temperature of the second coating roller 100 with a thermal imaging camera is shown in FIG. 3 .
  • the surface of the second coating roller 100 is non-uniformly heated by the electrode current collector 110 that has not been cooled, specifically, the electrode current collector coated with the electrode slurry on one surface.
  • the second coating roller 100 has a central temperature of about 299.24°C, and a temperature of both side portions of about 299.15°C.
  • the second coating roller 100 heated to a high temperature causes a sudden volume expansion, and there is a problem in that the separation distance from the discharge part of the electrode slurry slot die becomes non-uniform according to the heated temperature.
  • the second coating roller 100 includes a roller surface that rotates with respect to a roller rotation axis.
  • the second coating roller exhibits different expansion rates for each area according to a change in surface temperature.
  • the diameter of the central portion of the second coating roller 100 is greater than that of the side portion.
  • the non-uniform expansion of the second coating roller 100 causes a phenomenon in which the separation distance between the second coating roller 100 and the discharge portion of the electrode slurry slot die 122 becomes non-uniform.
  • the present invention forms a flow path through which the constant temperature medium passes through the second coating roller 100 so that the second coating roller 100 maintains a uniform temperature over the entire area.
  • the separation distance between the second coating roller 100 and the discharge portion of the electrode slurry slot die 122 may be maintained uniformly as a whole.
  • FIG. 9 schematically shows a second coating roller according to an embodiment of the present invention.
  • the second coating roller 200 is rotated while being fastened to the driving motor 210 , and a flow path through which constant temperature water passes is formed therein.
  • the constant temperature water is maintained at a constant temperature of about 32°C by the thermostat 220 including the heater 221 .
  • the constant-temperature water heated in the temperature controller 220 is introduced into the second coating roller 200 through the constant-temperature water inflow passage 201 .
  • the introduced constant-temperature water circulates inside the second coating roller 200 and then is discharged through the constant-temperature water outlet flow path 202 .
  • the temperature controller 220 heats the cooling water introduced through the cooling water inlet passage 231 , and the used cooling water is discharged through the cooling water outlet passage 232 .
  • the second coating roller 300 includes a roller surface 310 rotating based on a roller rotation shaft 320 , and has a structure in which a water jacket 301 is formed so as to be in close contact with the inner surface of the roller surface 310 .
  • the water jacket 301 has a structure in which constant-temperature water passes therein, and serves to induce the roller surface 310 to maintain a constant temperature.
  • the degree of volume expansion according to the temperature of each area of the second coating roller was calculated. Specifically, a constant-temperature water jacket was formed inside the second coating roller, and the surface temperature of the second coating roller according to the temperature of the constant-temperature water was measured. In addition, the amount of displacement due to volume expansion according to the temperature at each point of the second coating roller was measured. The results are shown in Table 2 below.
  • the second coating roller As the second coating roller, a roller having a length of 1200 mm in the TD direction was used, the central portion of the second coating roller means a midpoint in the TD direction of the second coating roller, and the side portion of the second coating roller is TD of the second coating roller The average value of both points, which is 480 mm in the outward direction from the midpoint of the direction, is shown.
  • the difference in the amount of displacement between the two points is controlled to be 1 ⁇ m or less.
  • the side portion of the second coating roller is 32° C. and the central portion of the second coating roller is 33° C., it can be seen that the amount of deformation at both points is the same.
  • the loading amount of the electrode slurry discharged from the second electrode slurry slot die was measured based on the difference in the amount of deformation between the side portion and the central portion of the second coating roller described above. Specifically, it was measured in the positive TD direction of the electrode slurry loaded on the electrode current collector mounted on the second coating roller. The measured results are shown in FIG. 11 .
  • the electrode slurry loading amount is different in both width directions with respect to the center (Position '0' mm point) in the TD direction of the second coating roller. Specifically, when the difference in the amount of deformation between the side portion and the center of the second coating roller is 0 and 2 ⁇ m, respectively, it can be seen that the difference in the loading amount between the side portion and the center does not exceed 5 (mg/25cm 2 ) at most. there is. In contrast, when the deformation amount between the side portion and the center portion of the second coating roller is 4 ⁇ m, the difference in the loading amount between the side portion and the center portion is about 7 (mg/25cm 2 ).
  • the difference in the loading amount between the side portion and the center is about 15 (mg/25cm 2 ) or more. there is.
  • the temperature of the side portion and the center of the second coating roller is controlled in the range of about 31 to 33° C., but the temperature difference between the two points is 2° C. or less.
  • the present invention can control the difference in the loading amount of the electrode slurry in the width direction to 5 (mg/25cm 2 ) or less.

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Abstract

본 기술은 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법에 관한 것으로, 전극 슬러리 1차 코팅 및 건조 과정을 거친 전극 집전체가 히트 파이프 가이드 롤러를 경유함으로써, 전극 슬러리 2차 코팅시 균일한 코팅이 가능하다.

Description

전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법
본 출원은 2020.10.23.자 한국 특허 출원 제10-2020-0138481호 및 2020.10.29.자 한국 특허 출원 제10-2020-0142411호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원들에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법에 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 전극 제조 과정을 도시한 것이다. 도 1은 코팅 롤러 상에 위치한 전극 집전체 상에 전극 슬러리 슬롯 다이를 통해 전극 슬러리를 토출하는 과정을 도시한 것이다. 도 1에서, 전극 슬러리 슬롯 다이(20)는 일방향(R)으로 회전하는 코팅 롤러(30) 상을 경유하는 집전체층(10) 상에 전극 슬러리를 토출한다. 전극 집전체(10)는 일방향(R)으로 회전하는 코팅 롤러(30)를 경유하면서 MD 방향(Mechanical Direction, F)으로 이송된다. 전극 슬러리 슬롯 다이(20)는 전극 슬러리 토출부(21)를 통해 전극 집전체(30) 상에 전극 슬러리를 토출 및 건조하는 과정을 거쳐, 전극 집전체(10) 상에 특정 폭(D)의 전극 슬러리가 코팅된 전극 합제층(31)을 형성한다.
전극 합제층(11)의 두께를 일정하게 유지하기 위해서는, 전극 슬러리 토출부(21)와 코팅 롤러(10) 사이의 간격을 일정하게 제어하여야 한다. 종래에는, 전극 슬러리 코팅 시스템은 외기 온도를 고려하여 코팅 롤러(30)의 위치 혹은 외경을 변화시키는 시도가 있었다. 그러나, 이러한 시도는 전극 집전체(10) 일면에 전극 슬러리를 코팅하는 과정만을 고려한 것이다.
따라서, 전극 슬러리를 전극 집전체의 양면에 효과적으로 코팅하는 기술에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전극 집전체에 전극 슬러리를 양면 코팅시, 코팅 균일성을 구현할 수 있는 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 제조 방법을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면인 제1 면에 전극 슬러리를 토출하는 제1 코팅부; 제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 1차 건조로; 제1 건조로를 거친 전극 집전체를 가열하여 전극 집전체의 폭방향 온도 편차를 저감하는 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러; 전극 집전체가 제2 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제2 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면인 제2 면에 전극 슬러리를 토출하는 제2 코팅부; 및 제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 2차 건조로를 포함한다.
구체적인 하나의 예에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 위치한다.
보다 구체적인 하나의 예에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 2 내지 4개 위치한다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 제2 코팅부에서, 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리는 하기 조건 1을 만족한다.
[조건 1]
| Gapside - Gapcenter | < 5 ㎛
조건 1에서,
Gapside는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타내고,
Gapcenter는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 사이드부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타낸다.
구체적인 하나의 예에서, 상기 제2 코팅 롤러는, 롤러 내부에 항온 매체가 경유하는 유로를 포함하는 구조이다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 제1 코팅부 전단에 형성되어 전극 집전체를 제1 코팅부로 공급하는 언와인더부; 및 2차 건조로 후단에 형성되어 전극 슬러리 코팅 및 건조가 완료된 전극 기재를 권취하는 리와인더부를 포함한다.
구체적인 하나의 예에서, 상기 전극 제조 시스템은, 언와인더부에서 공급된 이후부터 리와인더부에 권취될 때까지, 전극 집전체를 연속적으로 이송하는 컨베이어 라인을 포함한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 1차 건조로와 제2 코팅부 사이에 위치하되, 전극 집전체의 제1 면과 제2 면의 위치를 반전시키는 리버스 롤러를 포함한다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 히트 파이프 가이드 롤러 상을 경유하는 전극 집전체의 표면 온도를 검출하는 온도 센서를 포함한다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전극 제조 시스템을 적용한 전극 제조 방법을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 제1 코팅 롤러에 지지된 상태에서 전극 집전체의 제1 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제1 코팅 단계; 제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 1차 건조 단계; 제1 건조 단계를 거친 전극 집전체가 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러를 경유하는 온도 편차 저감 단계; 전극 집전체가 제2 코팅 롤러에 지지된 상태에서, 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제2 코팅 단계; 및 제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 2차 건조 단계를 포함한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 온도 편차 저감 단계를 거친 전극 집전체의 영역별 온도는 하기 조건 2를 만족한다.
[조건 2]
| Tside - Tcenter | < 2 (℃)
조건 1에서,
Tside는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 10% 및 90% 지점에서의 온도의 평균값을 나타내고,
Tcenter는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 중심 지점에서의 온도를 나타낸다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 제1 코팅 단계 내지 2차 건조 단계는 연속 공정에 의해 수행된다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 1차 건조 단계를 거친 전극 집전체에 대하여, 제1 면과 제2 면을 반전시키는 리버스 단계를 포함한다.
하나의 예에서, 제2 코팅 단계에서, 제2 코팅 롤러는, TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부와 사이드부 사이의 온도 편차가 2℃ 이하이다. 이는 상기 제2 코팅 롤러의 내부에 항온 매체가 경유하는 유로를 포함함으로써, 수행 가능하다.
구체적인 예에서, 본 발명에서 제조 대상이 되는 전극은 파우치형 이차전지용 전극이다.
본 발명에 따른 전극 제조 시스템 및 방법은, 전극 집전체 일면에 전극 슬러리 1차 코팅후 건조 과정에서 발생하는 온도 변화에도 불구하고 전극 슬러리 2차 코팅시 전극 슬러리 슬롯 다이의 토출구와 전극 집전체 사이의 간격을 일정하게 제어함으로써 균일한 전극 슬러리 코팅이 가능하다.
도 1은 종래의 방식으로, 코팅 롤러 상에 위치한 전극 집전체 상에 전극 슬러리 슬롯 다이를 통해 전극 슬러리를 토출하는 과정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템을 도시한 모식도이다.
도 3은, 히트 파이프 가이드 롤러를 경유한 전극 집전체의 표면 온도를 열화상 카메라로 촬영한 결과이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템을 도시한 모식도이다.
도 5는 전극 집전체가 3개의 히트 파이프 가이드 롤러를 거치면서 표면 온도의 변화를 열화상 카메라로 촬영한 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템에서 히트 파이프 가이드 롤러의 형성 위치를 표시한 모식도이다.
도 7은 제2 코팅 롤러의 표면 온도를 열화상 카메라로 촬영한 결과이다.
도 8은 냉각이 완료되지 않은 전극 집전체에 의해 표면이 불균일하게 가열된 제2 코팅 롤러와 전극 슬러리 슬롯 다이의 토출부와의 이격 거리를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제2 코팅 롤러를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제2 코팅 롤러의 단면 구조를 나타낸 모식도이다.
도 11은 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부 사이의 변형량 차이를 기초로, 제2 전극 슬러리 슬롯 다이에서 토출된 전극 슬러리의 로딩량을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
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 제조 시스템을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면인 제1 면에 전극 슬러리를 토출하는 제1 코팅부; 제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 1차 건조로; 제1 건조로를 거친 전극 집전체를 가열하여 전극 집전체의 폭방향 온도 편차를 저감하는 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러; 전극 집전체가 제2 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제2 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면인 제2 면에 전극 슬러리를 토출하는 제2 코팅부; 및 제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 2차 건조로를 포함한다.
상기 히트 파이프 가이드 롤러의 개수는 1 내지 15개, 1 내지 10개, 1 내지 5개, 2 내지 4개 또는 2 내지 3개 범위이다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러를 형성함으로써, 1차 건조로를 거친 전극 집전체를 폭 방향으로 온도를 균일하게 조절하고, 전극 슬러리 2차 코팅시 전극 슬러리 슬롯 다이의 토출구와 전극 집전체 사이의 간격을 일정하게 제어 가능하다.
하나의 실시예에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 위치한다. 본 발명에서, 1차 건조로를 거친 전극 집전체가 제2 코팅부에 도입되기 전에 상기 히트 파이프 가이드 롤러를 경유하게 된다. 예를 들어, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는 1차 건조로 출구, 앞서 설명한 경유의 중간 지점 및/또는 제2 코팅부 도입 전 지점 등에 형성 가능하다.
구체적인 하나의 실시예에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 2 내지 4개 위치한다. 본 발명에서, 상기 히트 파이프 가이드 롤러는 1개 또는 그 이상 형성 가능하다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러가 1개 형성된 경우에는 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차를 2℃ 이하로 제어할 수 있다. 나아가, 상기 히트 파이프 가이드 롤러가 2개 이상 형성된 경우에는 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차를 1℃ 이하로 제어할 수 있다. 다만, 히트 파이프 가이드 롤러가 5개 이상 적용되는 경우에는 그에 따른 효율이 감소함을 실험적으로 확인하였다.
하나의 실시예에서, 상기 제2 코팅부에서, 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리는 하기 조건 1을 만족한다.
[조건 1]
| Gapside - Gapcenter | < 5 ㎛
조건 1에서,
Gapside는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타내고,
Gapcenter는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 사이드부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타낸다.
본 발명에서 롤러의 '중심부'는 상기 롤러의 폭 방향 혹은 TD 방향 길이를 기준으로 중간 지점을 의미한다. 또한, 롤러의 '사이드부'는 상기 롤러의 폭 방향 혹은 TD 방향 길이를 기준으로 10% 지점 및/또는 90% 지점을 의미한다. 예를 들어, 롤러의 '사이드부'의 이격거리 혹은 온도는 상기 롤러의 폭 방향 혹은 TD 방향 길이를 기준으로 10% 지점 및 90% 지점에서 각각 측정된 수치의 평균값을 나타낸다.
전극 제조시, 전극 집전체의 양면에 각각 전극 합제층을 형성하는 공정이 적용되고 있다. 1차 코팅 및 1차 건조를 거친 전극 기재는, 냉각이 완료되지 않은 상태에서 2차 코팅에 도입된다. 1차 건조 후 냉각이 완료되지 않은 전극 집전체가 2차 코팅에 도입되면, 코팅 롤러에 열이 전달된다. 전달된 열에 의해 코팅 롤러는 가열되고, 영역 별로 서로 다른 부피 팽창을 보이게 된다.
본 발명에서는, 제2 코팅 수행 전, 전극 집전체에 대한 폭 방향 온도를 미리 제어함으로써, 제2 코팅부에서, 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 일정하게 유지하게 된다. 앞서 설명한 조건 1의 수치는 5 ㎛ 이하이고, 구체적으로는, 0.01 내지 5 ㎛ 범위, 0.1 내지 5 ㎛ 범위, 1 내지 5 ㎛ 범위, 1.5 내지 4.5 ㎛ 범위, 2 내지 4 ㎛ 범위 또는 1 내지 3 ㎛ 범위이다. 본 발명에서, 상기 조건 1이 0 ㎛를 만족하는 경우는, 실질적으로 제2 코팅 롤러의 입경이 영역별로 완전히 동일함을 의미하며, 0.01 ㎛인 경우는 측정 한계를 고려한 수치이다.
하나의 실시예에서, 상기 제2 코팅 롤러는, 롤러 내부에 항온 매체가 경유하는 유로를 포함하는 구조이다. 본 발명에서는, 상기 제2 코팅 롤러 내부에 항온 매체가 경유하는 유로를 형성함으로써, 제2 코팅 롤러의 온도를 일정 범위 내로 제어하되, 동시에 영역별로 균일한 온도를 구현하게 된다. 본 발명은 코팅 롤러의 특정 영역을 가열 혹은 냉각함으로써, 해당 영역의 변형을 유도하는 기술과는 차별된다.
본 발명에서, '항온 매체'는 특정 범위의 온도로 제어된 매체를 의미하며, 기상 또는 액상의 매체일 수 있다. 구체적으로, 상기 항온 매체는 항온 상태의 물 또는 오일이거나, 특정 범위로 온도가 제어된 공기 또는 불활성 기체이다. 예를 들어, 상기 항온 매체는 항온수이다.
앞서 설명한 1차 건조로를 경유한 전극 집전체는 냉각이 완료되지 않은 상태이며, 예를 들어, 300℃ 혹은 그 이상의 온도를 나타낸다. 이러한 전극 집전체가 제2 전극 롤러를 접촉한 상태에서 경유하게 되면, 제2 전극 롤러의 표면 온도 역시 그와 유사한 온도 범위로 가열된다. 높은 온도로 가열된 제2 코팅 롤러는 영역별로 서로 불균일한 온도 분포를 나타내는 것은 물론이고, 나아가 중심부와 사이드부의 부피 팽창율이 서로 다르게 나타나는 문제가 있다. 본 발명은 제2 코팅 롤러 내부에 항온 매체가 경유하는 유로를 형성함으로써, 롤러 자체의 온도 불균일을 해소함은 물론이고 영역별로 부피 팽창율 차이가 적게 발생하는 온도로 유지하게 된다.
예를 들어, 알루미늄 또는 그 합금으로 형성되고 외경 두께가 1T 수준인 코팅 롤러를 기준으로, 중심부와 사이드부의 변형량 차이를 비교하면, 롤러의 온도가 26~27℃ 범위인 경우의 변형량 차이가 32~33℃ 범위인 경우의 변형량 차이보다 큰 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명은 단순히 코팅 롤러의 온도를 낮추는 것에서 나아가 코팅 롤러의 온도를 영역별 변형량 차이가 작은 온도로 제어하는 것을 목적으로 한다.
하나의 실시예에서, 상기 제2 코팅 롤러는, 전극 집전체를 지지한 상태에서 롤러 회전면; 상기 롤러 회전면에 구동력을 부여하는 회전축; 유입된 냉각수를 가열하는 히터를 포함하는 온조기; 및 온조기로부터 공급된 항온수가 경유하는 항온수 유로;를 포함한다. 예를 들어, 상기 항온수 유로는, 롤러 회전면의 내측면에 균등 분배된 구조이다. 이를 통해, 본 발명에서는 제2 코팅 롤러의 외경 온도를 전체적으로 균일하게 제어하는 것이 가능하다.
구체적인 실시예에서, 상기 항온수 유로는 제2 코팅 롤러의 내측면을 균등 가열하는 워터 자켓 형상이다. 상기 워터 자켓 형상의 항온수 유로는, 제2 코팅 롤러 내측면에 밀착된 형태일 수 있다. 상기 항온수를 통해, 제2 코팅 롤러의 표면 온도를 예를 들어, 평균 31~33℃ 범위로 제어한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 제1 코팅부 전단에 형성되어 전극 집전체를 제1 코팅부로 공급하는 언와인더부; 및 2차 건조로 후단에 형성되어 전극 슬러리 코팅 및 건조가 완료된 전극 기재를 권취하는 리와인더부를 포함한다. 금속 호일 형태의 전극 집전체는 언와인더부에 권취된 상태에서 공급된다. 공급된 전극 집전체는 제1 면에 전극 슬러리를 토출하는 제1 코팅부, 1차 건조로, 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 토출하는 제2 코팅부, 및 2차 건조로를 순차적으로 경유한 후, 리와인더부에 권취된다. 전극 슬러리의 양면 코팅 및 건조가 완료된 전극 집전체는 리와인더부에서 권취된 상태로, 다음 단계인 슬리팅부 내지 타발부 등을 거치게 된다.
구체적인 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 언와인더부에서 공급된 이후부터 리와인더부에 권취될 때까지, 전극 집전체를 연속적으로 이송하는 컨베이어 라인을 포함한다. 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은 연속 공정을 통해 전극을 제조함으로써 공정 효율을 높이고 제품 균일도를 높일 수 있다. 상기 컨베이어 라인은 전극 집전체를 연속적으로 공급 및 이송하고, 상기 전극 집전체는 제1 코팅부, 1차 건조로, 제2 코팅부 및 2차 건조로를 순차적으로 경유하게 된다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 1차 건조로와 제2 코팅부 사이에 위치하되, 전극 집전체의 제1 면과 제2 면의 위치를 반전시키는 리버스 롤러를 포함한다. 예를 들어, 제1 코팅부와 1차 건조로를 거친 전극 집전체는 리버스 롤러에 의해 상하면의 위치가 뒤바뀌는 과정을 거친 후, 제2 코팅부에 도입된다. 이 경우, 전극 집전체는 MD 방향으로 진행하되, TD 방향으로 상하 위치가 반전된다. 또 다른 예를 들어, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은 제1 코팅부 및 1차 건조로를 하단에 위치하고, 제2 코팅부를 상단에 위치함으로써, 2차 건조로를 거친 전극 집전체의 진행 방향(MD 방향)은 제1 방향에서 수직인 제2 방향으로 변경되면서 제2 코팅부를 경유하게 된다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 시스템은, 제2 코팅 롤러의 영역별 표면 온도를 검출하는 온도 센서를 포함한다. 상기 온도 센서는 제2 코팅 롤러의 전체 평균 온도를 측정하는 것도 가능하나, 제2 코팅 롤러를 TD 방향으로 다수의 영역으로 분할하고 분할된 각 영역별로 온도 측정을 수행할 수 있다. 제2 코팅 롤러를 TD 방향으로 3 내지 10 개의 영역으로 분할하고 분할된 각 영역별로 온도 측정을 수행함으로써, 각 영역별로 제2 코팅부의 슬러리 토출부와의 이격 거리를 예측 내지 산출하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전극 제조 시스템을 이용한 전극 제조 방법을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 제1 코팅 롤러에 지지된 상태에서 전극 집전체의 제1 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제1 코팅 단계; 제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 1차 건조 단계; 제1 건조 단계를 거친 전극 집전체가 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러를 경유하는 온도 편차 저감 단계; 전극 집전체가 제2 코팅 롤러에 지지된 상태에서, 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제2 코팅 단계; 및 제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 2차 건조 단계를 포함한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 온도 편차 저감 단계를 거친 전극 집전체의 영역별 온도가 하기 조건 2를 만족한다.
[조건 2]
| Tside - Tcenter | < 2 (℃)
조건 1에서,
Tside는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 10% 및 90% 지점에서의 온도의 평균값을 나타내고,
Tcenter는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 중심 지점에서의 온도를 나타낸다.
구체적으로, 상기 조건 2에서, 전극 집전체의 중심부 온도(Tcenter)와 사이드부 온도(Tside) 사이의 편차는, 2℃ 이하, 0.01 내지 2℃ 범위, 0.1 내지 2℃ 범위, 0.2 내지 2℃ 범위, 1.2 내지 2℃ 범위, 0.2 내지 0.9℃ 범위 또는 0.3 내지 0.7℃ 범위이다. 본 발명은 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 영역별 온도 편차를 최소화시키며, 구체적으로는 특정 범위에 제어하게 된다. 이를 통해, 상기 제2 코팅 단계에서, 전극 집전체 상에 토출되는 전극 슬러리의 토출량을 일정하게 제어하게 된다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 제1 코팅 단계 내지 2차 건조 단계는 연속 공정에 의해 수행한다. 이는, 전극 집전체를 연속적으로 이송하는 컨베이어 라인 등을 통해 수행 가능하며, 공정 효율과 제품 균일성을 높일 수 있다.
또 다른 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은, 1차 건조 단계를 거친 전극 집전체에 대하여, 제1 면과 제2 면을 반전시키는 리버스 단계를 수행할 수 있다. 이러한 리버스 단계를 리버스 롤러 등을 통해 수행 가능하며, 전극 슬러리가 제1 면에 코팅된 전극 집전체를 1차 건조한 후, 상기 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 코팅하기 위한 것이다.
특히, 상기 제2 코팅 롤러는, TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부와 사이드부 사이의 온도 편차가 2℃ 이하이다. 구체적으로, 상기 제2 코팅 롤러는, 중심부와 사이드부 사이의 온도 편차가 2℃ 이하, 0.01 내지 2℃ 범위, 또는 0.5 내지 1.5℃ 범위이다. 본 발명은 제2 코팅 롤러의 표면 온도를 기준으로, 영역별 온도 편차를 최소화시키며, 구체적으로는 특정 범위에 제어하게 된다. 이를 통해, 상기 제2 코팅 롤러를 지나는 전극 집전체 상에 토출되는 전극 슬러리의 토출량을 일정하게 제어하게 된다.
하나의 실시예에서, 제2 코팅 롤러는, 롤러 내부에 형성된 유로를 통해 항온 매체를 순환시키는 구조이다. 상기 항온 매체는 항온 상태의 물 또는 오일이거나, 특정 범위로 온도가 제어된 공기 또는 불활성 기체이다. 예를 들어, 상기 항온 매체는 항온수이다.
구체적인 실시예에서, 상기 제2 코팅 롤러는, TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부와 사이드부의 온도가 각각 30 내지 33℃ 범위이다. 구체적으로는, 상기 제2 코팅 롤러는, 중심부와 사이드부의 온도가 각각 31~33℃ 범위이다. 본 발명에서는, 제2 코팅 롤러의 표면 온도를 특정 범위를 제어함으로써, 양 지점의 변형량을 동일 또는 동등 수준으로 조절할 수 있음을 확인하였다.
구체적인 실시예에서, 본 발명에서 제조 대상이 되는 전극은 파우치형 이차전지용 전극이다. 또한, 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, LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(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, 도면을 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 제조 시스템을 도시한 모식도이다. 도 2를 참조하면, 언와인더(151)로부터 전극 집전체(110)가 공급된다. 공급된 전극 집전체(110)는 제1 코팅 롤러(131) 위를 경유한다. 전극 집전체(110)가 제1 코팅 롤러(131)를 경유하는 시점에, 전극 슬러리 슬롯 다이(121)로부터 전극 슬러리가 토출되어 전극 집전체(110)의 제1 면에 제1 전극 합제층(111)을 형성한다. 전극 집전체(110)는 1차 건조로(141)를 거친 후 리버스 롤러(미도시)에 의해 제1 면과 제2 면이 반전된다. 전극 집전체(110)는 제2 코팅 롤러(100) 위를 경유하고, 이 때 제2 전극 슬러리 슬롯 다이(122)로부터 전극 슬러리가 토출되어 제2 전극 합제층(112)을 형성한다. 그런 다음, 전극 집전체(110)는 2차 건조로를 경유한 후, 리와인더(152)에서 권취된다.
도 2에서, 1차 건조로(141)를 거친 전극 집전체(110)는 냉각이 완료되지 않은 상태에서 제2 코팅 롤러(100)를 경유하게 된다. 이 때, 제2 코팅 롤러(100)는 냉각이 완료되지 않은 전극 집전체(110)에 의해 표면이 불균일하게 가열된다. 불균일하게 가열된 제2 코팅 롤러(100)는 영역별로 서로 다른 부피 팽창이 유발되고, 가열된 온도에 따라 제2 전극 슬러리 슬롯 다이(122)의 토출부와의 이격 거리가 불균일해지는 문제가 있다.
본 발명에서는, 1차 건조로(141)를 거친 전극 집전체(110)가 히트 파이프 가이드 롤러를 경유하게 된다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러(101)는 히팅 코일 또는 항온수 유로 등이 내장된 구조이다. 이를 통해, 히트 파이프 가이드 롤러(101)는 전극 집전체(110)를 폭 방향으로 균일한 온도를 갖도록 제어하는 역할을 수행한다.
도 3은, 히트 파이프 가이드 롤러(101)를 경유하는 전극 집전체(110)의 표면 온도를 열화상 카메라로 촬영한 결과이다. 도 3을 참조하면, 1차 건조로(141)를 거쳐 가열된 상태의 전극 집전체(110)는 폭 방향(TD 방향)으로 온도가 불균일한 것을 확인할 수 있다. 상기 전극 집전체(110)는 히트 파이프 가이드 롤러(101)를 거치면서, 이러한 온도 불균일이 큰 폭으로 해소되었음을 알 수 있다.
본 발명에서는, 1차 건조로(141)의 출구쪽에 상기 히트 파이프 가이드 롤러(101)를 위치함으로써, 전극 집전체(110)의 폭 방향 온도 불균일을 효과적으로 해소할 수 있음을 확인하였다.
(제2 실시 형태)
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극 제조 시스템을 도시한 모식도이다. 도 4를 참조하면, 언와인더(151)로부터 공급된 전극 집전체(110)가 1 코팅 롤러(131)와 전극 슬러리 슬롯 다이(121)를 포함하는 제1 코팅부; 1차 건조로(141); 제2 코팅 롤러(100)와 제2 전극 슬러리 슬롯 다이(122)를 포함하는 제2 코팅부; 및 2차 건조로(142)를 거쳐 리와인더(152)에 권취된다. 1차 건조로(141)와 제2 코팅부 사이의 전극 집전체(110) 이동 경로 상에는 3개의 히트 파이프 가이드 롤러(101, 102, 103)가 위치한다. 각 히트 파이프 가이드 롤러(101, 102, 103)는 1차 건조로(141) 출구, 중간 지점, 및 제2 코팅부 도입 전 지점에 각각 위치한다.
또한, 도 5는 전극 집전체(110)가 3개의 히트 파이프 가이드 롤러(101, 102, 103)를 거치면서 표면 온도의 변화를 열화상 카메라로 촬영한 결과를 나타낸 모식도이다. 1차 건조로(141)를 거쳐 가열된 상태의 전극 집전체(110)는 폭 방향(TD 방향)으로 온도가 불균일한 상태이고, 3개의 히트 파이프 가이드 롤러(101, 102, 103)를 순차적으로 경유하면서 온도 불균일 상태가 급격히 완화되는 것을 알 수 있다.
(제3 실시 형태)
본 발명에서는 히트 파이프 가이드 롤러의 위치에 따른 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차를 측정하였다. 구체적으로는, 전극 제조 시스템에서, 히트 파이프 가이드 롤러를 각각 1개 설치하였고, 그 위치는 도 6에 도시된 도면 부호 (1) 내지 (5)로 표시된 지점이다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러의 표면 온도는 30℃로 제어하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었다. 표 1에서, 사이드부 온도는 전극 집전체의 폭 방향 길이를 기준으로 10% 및 90% 지점에서 각각 측정한 온도의 평균치이고, 중앙부 온도는 전극 집전체의 폭 방향 길이를 기준으로 중간 지점의 온도이다. 실시예 1 내지 3에서, 전극 집전체의 온도는, 전극 집전체가 제2 코팅부 도입전(위치: (5)) 지점에서 측정한 것이다.
실시예 NO. 위치 사이드부 온도(℃) 중앙부 온도(℃) 편차(℃)
실시예 1 (1) 1차 건조로 출구 36.8 38.3 1.5
실시예 2 (3) 중간 지점 32.3 34.1 1.8
실시예 3 (5) 제2 코팅부 도입전 26.9 28.8 1.9
표 1을 참조하면, 하나의 히트 파이프 가이드 롤러를 적용할 경우에는 전극 집전체의 사이드부와 중앙부의 온도 편차가 2℃ 이하로 제어됨을 알 수 있다. 히트 파이프 가이드 롤러의 적용 위치에 따라 상기 온도 편차를 달라질 수 있으나, 1차 건조로의 출구와 인접하게 위치할수록 온도 편차 저감 효과가 우수한 것을 알 수 있다.
참고로, 비교예로서, 히트 파이프 가이드 롤러를 적용하지 않은 경우, 제2 코팅부 도입전(위치: (5)) 지점에서 측정한 전극 집전체의 사이드부와 중앙부의 온도 편차는 2.8℃인 것으로 측정되었다.
(제4 실시 형태)
본 발명에서는 히트 파이프 가이드 롤러의 위치에 따른 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차를 측정하였다. 구체적으로는, 전극 제조 시스템에서, 히트 파이프 가이드 롤러를 각각 2 내지 5개 설치하였고, 그 위치는 도 5에 도시된 도면 부호 (1) 내지 (5)로 표시된 지점이다. 상기 히트 파이프 가이드 롤러의 표면 온도는 30℃로 제어하였다. 측정 결과는 하기 표 2에 나타내었다. 표 2에서, 사이드부 온도는 전극 집전체의 폭 방향 길이를 기준으로 10% 및 90% 지점에서 각각 측정한 온도의 평균치이고, 중앙부 온도는 전극 집전체의 폭 방향 길이를 기준으로 중간 지점의 온도이다. 전극 집전체의 온도는, 전극 집전체가 제2 코팅부 도입전(위치: (5)) 지점에서 측정한 것이다.
실시예 NO. 개수(개) 위치 사이드부 온도(℃) 중앙부 온도(℃) 편차(℃)
실시예 4 2 (1), (5) 28.2 27.5 0.7
실시예 5 3 (1), (3), (5) 28.0 27.7 0.3
실시예 6 4 (1), (2), (3), (5) 28.0 27.8 0.2
실시예 7 5 (1), (2), (3), (4), (5) 27.9 27.8 0.2
표 2를 참조하면, 히트 파이프 가이드 롤러의 적용 개수가 증가함에 따라 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차는 현저히 감소됨을 알 수 있다. 구체적으로는, 히트 파이프 가이드 롤러가 2개 이상 적용된 경우에는, 전극 집전체의 폭 방향 온도 편차는 1℃ 이하로 제어된다. 다만, 히트 파이프 가이드 롤러가 5개 이상 적용되는 경우에는 그에 따른 효율이 감소함을 알 수 있다.
(제5 실시 형태)
제2 코팅 롤러(100)의 표면 온도를 열화상 카메라로 촬영한 결과는 도 3에 도시하였다. 도 7을 참조하면, 제2 코팅 롤러(100)는 냉각이 완료되지 않은 전극 집전체(110), 구체적으로는 일면에 전극 슬러리가 도포된 전극 집전체에 의해 표면이 불균일하게 가열된다. 구체적으로, 제2 코팅 롤러(100)는 중심부의 온도는 약 299.24℃ 수준이고, 양쪽 사이드부의 온도는 약 299.15℃ 수준이다. 이와 같이 높은 온도로 가열된 제2 코팅 롤러(100)는 급격한 부피 팽창이 유발되고, 가열된 온도에 따라 전극 슬러리 슬롯 다이의 토출부와의 이격 거리가 불균일해지는 문제가 있다.
도 8은 냉각이 완료되지 않은 전극 집전체(생략)에 의해 표면이 불균일하게 가열된 제2 코팅 롤러와 전극 슬러리 슬롯 다이의 토출부와의 이격 거리를 모식적으로 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 제2 코팅 롤러(100)는 롤러 회전축을 기준으로 회전하는 롤러 표면을 포함한다. 상기 제2 코팅 롤러는 표면 온도 변화에 따라 영역별로 서로 다른 팽창율을 보이게 된다. 이로 인해 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 코팅 롤러(100)는 중심부의 직경이 사이드부보다 커지는 현상이 발생한다. 제2 코팅 롤러(100)의 불균일한 팽창은, 제2 코팅 롤러(100)와 전극 슬러리 슬롯 다이(122)의 토출부 사이의 이격 거리가 불균일해지는 현상을 유발한다.
이에 대해, 본 발명은 제2 코팅 롤러(100)에 항온 매체가 경유하는 유로를 형성함으로써, 제2 코팅 롤러(100)가 전 영역에 걸쳐 균일한 온도를 유지하도록 한다. 이를 통해, 제2 코팅 롤러(100)와 전극 슬러리 슬롯 다이(122)의 토출부 사이의 이격 거리를 전체적으로 균일하게 유지할 수 있다.
(제6 실시 형태)
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제2 코팅 롤러를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, 제2 코팅 롤러(200)는 구동 모터(210)에 체결되어 회전하되, 내부에는 항온수가 경유하는 유로가 형성된 구조이다. 상기 항온수는 히터(221)를 포함하는 온조기(220)에 의해 약 32℃ 수준의 일정한 온도로 유지된다. 온조기(220)에서 가열된 항온수는 항온수 유입 유로(201)를 통해 제2 코팅 롤러(200) 내부로 유입된다. 유입된 항온수는 제2 코팅 롤러(200) 내부를 순환한 후 항온수 유출 유로(202)를 통해 배출된다. 또한, 온조기(220)는 냉각수 유입 유로(231)를 통해 유입된 냉각수를 가열하고, 사용된 냉각수는 냉각수 유출 유로(232)를 통해 배출된다.
(제7 실시 형태)
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제2 코팅 롤러의 단면 구조를 나타낸 모식도이다. 상기 제2 코팅 롤러(300)는 롤러 회전축(320)을 기준으로 회전하는 롤러 표면(310)을 포함하고, 상기 롤러 표면(310)의 내측면에 밀착하도록 워터 자켓(301)이 형성된 구조이다. 상기 워터 자켓(301)은 내부에 항온수가 경유하는 구조이고, 롤러 표면(310)이 일정한 온도를 유지하도록 유도하는 역할을 수행한다.
(제8 실시 형태)
제2 코팅 롤러의 영역별 온도에 따른 부피 팽창 정도를 산출하였다. 구체적으로는, 제2 코팅 롤러 내부에 항온수 워터 자켓을 형성하고, 항온수의 온도에 따른 제2 코팅 롤러 표면 온도를 측정하였다. 또한, 제2 코팅 롤러의 각 지점별 온도에 따른 부피 팽창에 의한 변위량을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다. 제2 코팅 롤러는 TD 방향으로 길이 1200 mm인 롤러를 사용하였고, 제2 코팅 롤러의 중심부는 제2 코팅 롤러의 TD 방향 중간 지점을 의미하고, 제2 코팅 롤러의 사이드부는 제2 코팅 롤러의 TD 방향 중간 지점에서 외측 방향으로 480 mm인 양 지점의 평균치를 나타낸다.
제2 코팅 롤러의 사이드부 제2 코팅 롤러의 중심부
온도(℃) 변형량(㎛) 온도(℃) 변형량(㎛)
22 0 22 0
26 11 26 13
29 20 30 23
31 28 33 29
32 30 33 30
33 32 33 31
34 33 34 31
표 3을 참조하면, 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부가 각각 26℃인 경우에는, 양 지점의 변형량이 2 ㎛ 차이를 보인다. 또한, 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부가 각각 34℃인 경우에는, 양 지점의 변형량이 2 ㎛ 차이를 보인다.
이에 대해, 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부의 온도를 30~33℃ 범위, 구체적으로는 31~33℃ 범위로 제어하게 되면, 양 지점의 변향량 차이가 1 ㎛ 이하로 제어된다. 특히, 제2 코팅 롤러의 사이드부가 32℃이고, 제2 코팅 롤러의 중심부가 33℃인 경우에는, 양 지점의 변형량이 동일한 것을 알 수 있다.
이를 통해, 제2 코팅 롤러를 상온 조건으로 유지하거나 보다 높은 온도로 제어한다고 해서 지점별 변형량이 작게 나타난 것이 아님을 알 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 앞서 설명한 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부 사이의 변형량 차이를 기초로, 제2 전극 슬러리 슬롯 다이에서 토출된 전극 슬러리의 로딩량을 측정하였다. 구체적으로는, 제2 코팅 롤러 상에 거치된 전극 집전체에 로딩된 전극 슬러리의 양의 TD 방향으로 측정하였다. 측정된 결과는 도 11에 도시하였다.
도 11을 참조하면, 제2 코팅 롤러의 TD 방향으로, 중심(Position '0' mm 지점)을 기준으로 양쪽 폭 방향으로 전극 슬러리 로딩량이 달라짐을 알 수 있다. 구체적으로, 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부 사이의 변형량 차이가 각각 0, 2 ㎛인 경우에는, 사이드부와 중심부 사이의 로딩량 차이가 최대 5 (mg/25cm2)를 넘지 않는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부 사이의 변형량이 4 ㎛인 경우에는, 사이드부와 중심부 사이의 로딩량 차이가 약 7 (mg/25cm2)를 수준이다. 또한, 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부 사이의 변형량이 각각 8, 12, 16 ㎛인 경우에는, 사이드부와 중심부 사이의 로딩량 차이가 약 15 (mg/25cm2) 혹은 그 이상임을 알 수 있다.
본 발명은 제2 코팅 롤러의 사이드부와 중심부 온도가 약 31~33℃ 범위로 제어하되, 양 지점의 온도 차이가 2℃ 이하이다. 이를 통해, 본 발명은 폭 방향 전극 슬러리의 로딩량 차이를 5 (mg/25cm2) 이하로 제어할 수 있다.
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, 110: 전극 집전체
11: 전극 합제층
20: 전극 슬러리 슬롯 다이
21: 전극 슬러리 토출부
30: 코팅 롤러
100, 200, 300: 제2 코팅 롤러
101, 102, 103: 히트 파이프 가이드 롤러
111: 제1 전극 합제층
112: 제2 전극 합제층
121: 제1 전극 슬러리 슬롯 다이
122: 제2 전극 슬러리 슬롯 다이
131: 제1 코팅 롤러
141: 1차 건조로
142: 2차 건조로
151: 언와인더
152: 리와인더
201: 항온수 유입 유로
202: 항온수 유출 유로
210: 구동 모터
220: 온조기
221: 히터
231: 냉각수 유입 유로
232: 냉각수 유출 유로
301: 워터 자켓
310: 롤러 표면
320: 롤러 회전축
(1), (2), (3), (4), (5): 히트 파이프 가이드 롤러 위치

Claims (15)

  1. 전극 집전체가 제1 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제1 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면인 제1 면에 전극 슬러리를 토출하는 제1 코팅부;
    제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 1차 건조로;
    제1 건조로를 거친 전극 집전체를 가열하여 전극 집전체의 폭방향 온도 편차를 저감하는 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러;
    전극 집전체가 제2 코팅 롤러 상을 지나는 동안, 전극 집전체가 제2 코팅 롤러와 접하는 면의 반대면인 제2 면에 전극 슬러리를 토출하는 제2 코팅부; 및
    제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체를 건조하는 2차 건조로를 포함하는 전극 제조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    히트 파이프 가이드 롤러는,
    1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    히트 파이프 가이드 롤러는, 1차 건조로 출구와 제2 코팅부 입구 사이의 전극 집전체 이동 경로 상에 2 내지 4개 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제2 코팅부에서,
    전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리는 하기 조건 1을 만족하는 하는 전극 제조 시스템:
    [조건 1]
    | Gapside - Gapcenter | < 5 ㎛
    조건 1에서,
    Gapside는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타내고,
    Gapcenter는 제2 코팅 롤러의 TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 사이드부에서의 전극 슬러리 토출부와 제2 코팅 롤러의 표면 사이의 이격거리를 나타낸다.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 코팅 롤러는, 롤러 내부에 항온 매체가 경유하는 유로를 포함하는 구조인 전극 제조 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제1 코팅부 전단에 형성되어 전극 집전체를 제1 코팅부로 공급하는 언와인더부; 및
    2차 건조로 후단에 형성되어 전극 슬러리 코팅 및 건조가 완료된 전극 기재를 권취하는 리와인더부를 포함하는 전극 제조 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    언와인더부에서 공급된 이후부터 리와인더부에 권취될 때까지, 전극 집전체를 연속적으로 이송하는 컨베이어 라인을 더 포함하는 전극 제조 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    1차 건조로와 제2 코팅부 사이에 위치하되, 전극 집전체의 제1 면과 제2 면의 위치를 반전시키는 리버스 롤러를 더 포함하는 전극 제조 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    히트 파이프 가이드 롤러 상을 경유하는 전극 집전체의 표면 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하는 전극 제조 시스템.
  10. 제1 코팅 롤러에 지지된 상태에서 전극 집전체의 제1 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제1 코팅 단계;
    제1 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 1차 건조 단계;
    제1 건조 단계를 거친 전극 집전체가 n 개(n은 1 내지 20 사이의 정수)의 히트 파이프(heat pipe) 가이드 롤러를 경유하는 온도 편차 저감 단계;
    전극 집전체가 제2 코팅 롤러에 지지된 상태에서, 전극 집전체의 제2 면에 전극 슬러리를 코팅하는 제2 코팅 단계; 및
    제2 면에 전극 슬러리가 코팅된 전극 집전체가 건조로를 경유하는 2차 건조 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    온도 편차 저감 단계를 거친 전극 집전체의 영역별 온도는 하기 조건 2를 만족하는 전극 제조 방법:
    [조건 2]
    | Tside - Tcenter | < 2 (℃)
    조건 1에서,
    Tside는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 10% 및 90% 지점에서의 온도의 평균값을 나타내고,
    Tcenter는 전극 집전체의 폭 방향을 기준으로, 중심 지점에서의 온도를 나타낸다.
  12. 제 10 항에 있어서,
    제1 코팅 단계 내지 2차 건조 단계는 연속 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    1차 건조 단계를 거친 전극 집전체에 대하여, 제1 면과 제2 면을 반전시키는 리버스 단계를 더 포함하는 전극 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    제2 코팅 단계에서,
    제2 코팅 롤러는, TD 방향(Traverse Direction)을 기준으로, 중심부와 사이드부 사이의 온도 편차가 2℃ 이하인 전극 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    제조 대상이 되는 전극은 파우치형 이차전지용 전극인 전극 제조 방법.
PCT/KR2021/013939 2020-10-23 2021-10-08 전극 슬러리의 코팅 균일성이 우수한 전극 제조 시스템 및 이를 이용한 전극 제조 방법 WO2022086009A1 (ko)

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