WO2022225237A1 - 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템 - Google Patents

이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템 Download PDF

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김선형
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a system for automating electrode drying conditions for secondary batteries.
  • a secondary battery is a representative example of an electrochemical device using such electrochemical energy, and its use area is gradually expanding.
  • These lithium secondary batteries are prepared by coating and drying a positive electrode or negative electrode active material, a binder, and a conductive material on a current collector in the form of a slurry to form an electrode mixture layer to manufacture a positive electrode and a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. It is manufactured by embedding an electrode assembly in a battery case together with an electrolyte.
  • the performance of the lithium secondary battery prepared in this way is affected by the components constituting the lithium secondary battery, and among them, the electrode performance is greatly affected by the drying profile of the drying process in which the solvent is evaporated after coating the electrode active material slurry. .
  • the present invention is to solve the above problem, and provides a system for controlling the drying process by setting an index of occurrence of thermal wrinkles during drying and recognizing the possibility of occurrence of thermal wrinkles in real time by measuring the electrode temperature for its calculation aim to do
  • the present invention can also automate and unmanned the drying process without significantly modifying the existing equipment, and thus can dramatically reduce the occurrence of defects in the electrodes for secondary batteries manufactured accordingly, thereby preventing losses.
  • one or more drying units arranged along the transport direction and drying the preliminary electrode
  • One or more sensors that measure the electrode temperature of the preliminary electrode in real time and transmit information to the system control unit, and
  • a system control unit that receives information from the sensor and adjusts the drying conditions
  • condition is changed when the information received from the sensor below satisfies condition 1 or 2.
  • T1 is the electrode temperature when there is no change in the electrode temperature of the preliminary electrode during solvent evaporation of the electrode active material slurry
  • T2 is the electrode temperature of the preliminary electrode to be dried
  • T3 is the generation of thermal wrinkles according to the composition of the electrode active material slurry applied is a pre-entered value for the starting temperature
  • ⁇ is an increase rate of the electrode temperature of the preliminary electrode
  • ⁇ is an increase rate of the electrode temperature of the preliminary electrode
  • the one or more sensors and the one or more drying units may be installed in the same drying oven.
  • the one or more sensors may be alternately arranged with one or more drying units.
  • the system control unit may determine the conditions by collecting the transmitted information.
  • the electrode active material slurry information, the previously obtained T3 value for the electrode active material slurry, the conditions 1 and 2, and the drying process conditions are input to the system control unit before the preliminary electrode drying starts, and the system control unit is transmitted from the sensor
  • the system control unit is transmitted from the sensor
  • the drying condition may be changed.
  • the system control unit graphs the electrode temperature of the preliminary electrode, the increase rate of the electrode temperature, and the increase acceleration of the electrode temperature from the information received from the sensor, and when the value obtained from the graph satisfies the above condition 1 or 2, It may be to change the drying conditions.
  • the system controller may lower the drying temperature, increase the transfer speed of the transfer unit, or stop drying.
  • the change of the drying condition may be performed when condition 2 is satisfied.
  • the at least one drying unit may be a hot air unit generating hot air or a heating unit that directly applies heat
  • the at least one sensor may be an IR sensor.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electrode drying process automation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart of an electrode drying process automation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a photograph of a thermal wrinkle evaluation mechanism in a drying oven according to Experimental Example 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph of measurement of the electrode temperature according to the drying time of the electrode according to Experimental Example 1.
  • FIG. 6 is a graph of measuring the electrode temperature, the electrode temperature increase rate, and the electrode temperature increase acceleration within 100 seconds to 180 seconds during the drying process according to Experimental Example 1.
  • FIG. 7 is a comparative graph in which an electrode temperature, an electrode temperature increase rate, and an electrode temperature increase acceleration are measured during electrode drying according to Experimental Example 2;
  • one or more drying units arranged along the transport direction and drying the preliminary electrode
  • One or more sensors that measure and photograph the electrode temperature and current collector image of the preliminary electrode in real time to transmit information to the system control unit, and
  • a system control unit that receives information from the sensor and adjusts the drying conditions
  • an electrode drying condition automation system for a secondary battery that changes the condition when the information received from the following sensor satisfies the following conditions 1 or 2.
  • T1 is the electrode temperature when there is no change in the electrode temperature of the preliminary electrode during solvent evaporation of the electrode active material slurry
  • T2 is the electrode temperature of the preliminary electrode to be dried
  • T3 is the generation of thermal wrinkles according to the composition of the electrode active material slurry applied is a pre-entered value for the starting temperature
  • ⁇ is an increase rate of the electrode temperature of the preliminary electrode
  • ⁇ is an increase rate of the electrode temperature of the preliminary electrode
  • the electrode temperature is the electrode surface temperature measured by the sensor.
  • the senor measures the electrode temperature of the preliminary electrode in real time during the drying process of the electrode, transmits it to the system control unit, and when the specific conditions are satisfied, the system control unit sets the drying conditions By adjusting, thermal wrinkles of the current collector of the electrode do not occur and the defect rate can be lowered.
  • the specific condition for controlling the drying condition is when the condition 1 or condition 2 as described above is high.
  • the conditions for generating thermal wrinkles in the current collector may vary depending on the electrode active material slurry, and therefore, a standard that can be a measure of thermal wrinkles according to the composition of the electrode active material slurry is required.
  • the temperature (T3) at which thermal wrinkling starts for each composition of the electrode active material slurry can be input to the system control unit.
  • the drying condition adjustment may be performed automatically.
  • T1 is the electrode temperature when there is no change in the electrode temperature of the preliminary electrode, specifically, the electrode temperature when there is no change in the electrode temperature for 1 second or more. This means the electrode temperature in the flat section in the electrode temperature graph to be described later.
  • the electrode temperature of the preliminary electrode is measured in real time regardless of the composition of the electrode active material slurry, and from this measurement value, the electrode of the preliminary electrode When the rate of increase in temperature and the acceleration of increase in the temperature of the electrode of the preliminary electrode satisfy the above ranges, it was confirmed that thermal wrinkles occurred in the current collector when the condition 2 was satisfied.
  • the drying condition when the value of condition 1 and/or the value of condition 2 is input to the system control unit, the drying condition can be automatically adjusted only by measuring the electrode temperature of the preliminary electrode in the subsequent electrode drying process. It is possible and economical because it can dramatically reduce the rate of thermal wrinkling of the electrode.
  • FIG. 1 A schematic diagram of an electrode drying condition automation system according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 1 .
  • the preliminary electrode 110 in which the electrode active material slurry 111 is applied on the current collector 112 is dried from the electrode roll 120 .
  • the transfer unit 130 transferred to 140, one or more drying units 140 arranged along the transfer direction and drying the preliminary electrode 110, and the electrode temperature of the preliminary electrode 110 are measured in real time. and one or more sensors 150 that capture and transmit information to the system controller 160 , and a system controller 160 that receives information from the sensor 150 and adjusts drying conditions.
  • the preliminary electrode 110 may have a structure in which an electrode active material slurry 111 including an electrode active material, a conductive material, a binder, and optionally other additives is applied on the current collector 112, and the electrode active material slurry ( 111) is a form containing a solvent before drying.
  • the electrode active material may be appropriately selected depending on whether the preliminary electrode is a positive electrode or a negative electrode, and specific examples of such an electrode active material are known in the art, and any kind of active material may be selected, so a detailed description thereof will be omitted herein.
  • the binder and the conductive material are known in the art, and any type of active material may be selected, and thus a detailed description thereof will be omitted herein.
  • the current collector may also be selected depending on whether the preliminary electrode is a positive electrode or a negative electrode, for example, a metal sheet such as aluminum or copper, a mesh, a film, a foil, etc. may be used, specific examples in the art Since they are known, detailed descriptions are omitted in the present invention.
  • a metal sheet such as aluminum or copper, a mesh, a film, a foil, etc.
  • the preliminary electrode 110 is transferred to the drying unit 140 for a drying process for evaporating the solvent, and this transfer is performed by the transfer unit 130 .
  • the transfer unit 130 is not limited, but may be, for example, a transfer roll.
  • the preliminary electrode 110 is transferred to the drying unit 140 by the transfer unit 130 .
  • four drying units 140 are arranged along the transport direction, and serve to dry the preliminary electrode 110 while the preliminary electrode 110 is transported by the transport unit 130 .
  • the number of drying units 140 is only one example, and the number is not limited as long as it is one or more, and it is preferable that it is two or more.
  • drying units 140 may be installed in the same drying oven 170 .
  • the drying unit 130 is not limited as long as it can dry the preliminary electrode 110, but for example, it may be a hot air unit that generates hot air or a heating unit that directly applies heat.
  • the drying time by the drying unit 140 is affected by the conveying speed of the conveying unit 130, and drying conditions such as the drying temperature and the conveying speed of the conveying unit 130 are controlled by the system control unit 160 to be described later. is regulated
  • the electrode drying condition automation system 1000 measures the electrode temperature of the preliminary electrode 110 in real time. and a sensor 150 that measures and transmits information to the system control unit 160 .
  • the three sensors 150 are alternately arranged in a form positioned between the drying units (140).
  • the sensor 150 is preferably located at various places in the drying process in order to measure the electrode temperature of the transferred preliminary electrode 110 in real time, and may be arranged in the transport direction of the preliminary electrode 110 .
  • the senor 150 may also be installed in the same drying oven 170 as the drying unit 140 .
  • the sensor 150 is not limited as long as it has a structure capable of measuring the electrode temperature of the preliminary electrode 110 , and may be, for example, a non-contact thermal sensor, specifically, an IR sensor.
  • the information collected by the sensor 150 is transmitted to the modo system control unit 160, and the system control unit 160 analyzes, calculates, and evaluates the transmitted information, determines whether the conditions are satisfied, and then It decides whether to adjust the condition, the direction, etc.
  • the information collected by the sensor is transmitted to the information collection unit 161, and when the analysis of this information is completed, the drying condition control unit 162 adjusts the drying conditions according to the analysis.
  • system control unit 160 performs the role of the operator instead, and enables the automatic drying condition control system.
  • FIG. 2 a flowchart of an automated system for controlling electrode drying conditions of the present invention is schematically shown in FIG. 2 .
  • information of the electrode active material slurry 111 is input to the system control unit 160 before drying of the preliminary electrode 110 is started (S10), and the electrode active material slurry 111 is After inputting the previously obtained T3 value and the conditions 1 and 2 (S20), the drying process conditions are input to perform electrode drying of the preliminary electrode 110 (S30).
  • one or more sensors 150 measure the electrode temperature in real time (S40), and all information collected therefrom is transmitted to the system controller 160 (S50).
  • the system control unit 160 collects the transmitted information and determines whether the conditions 1 and 2 are satisfied (S60), and when any one or more of the conditions 1 and 2 is satisfied, the electrode drying process condition is changed and (S70), otherwise, the operating state of the electrode drying oven 170 is maintained (S80).
  • the system controller 160 graphs the electrode temperature of the preliminary electrode 110, the increase rate of the electrode temperature, and the increase acceleration of the electrode temperature from the information received from the sensor 150, and the value obtained from the graph is When conditions 1 or 2 are satisfied, the drying conditions may be changed.
  • the system controller 160 may lower the drying temperature, increase the transfer speed of the transfer unit, or stop drying.
  • the change of the drying condition may be performed when condition 2 is satisfied.
  • Graphite as an electrode active material, carbon black as a conductive material, and Carboxy methyl cellulose (CMC) and Styren-butadien rubber (SBR) as a binder were used respectively, and the weight ratio of electrode active material: conductive material: CMC: SBR was 96: To the mixture mixed at 1:1:2, add to water as a solvent to prepare a composition for forming an electrode (47% solid content), and apply (200 ⁇ m) to a copper foil (thickness: 8-12 ⁇ m) to prepare The electrode 110 was manufactured.
  • CMC Carboxy methyl cellulose
  • SBR Styren-butadien rubber
  • the preliminary electrode 110 was interposed between the tension control rods 210 of FIG. 3 and installed in a drying oven.
  • the IR sensor 220 is installed on the upper part where the preliminary electrode 110 is mounted, and a mirror 230 is provided on the lower part where the preliminary electrode 110 is mounted in order to determine thermal wrinkles to occur in the aluminum foil. installed. From the image of the aluminum foil reflected on the mirror 230, it may be determined whether thermal wrinkles have occurred.
  • the drying temperature of the oven is set at 115° C. and 1° C./sec, and while drying is performed, a graph according to the drying time and electrode temperature is obtained from the IR sensor 220, and the aluminum obtained from the mirror 230 An image of the foil was taken and the results are shown in FIGS. 4 and 5, and from the results of FIG. 4, the electrode temperature in the range of 100 seconds to 180 seconds, and 115 ° C., 1 ° C./sec., are dried. obtained and shown in FIG. 6 .
  • the electrode temperature of the preliminary electrode gradually increases similarly to the temperature increase rate according to the drying time, and at some point, on the graph, despite the temperature rise of the oven at about 80 ° C., the electrode temperature is a flat section. indicates. This means that the temperature is not increased while the solvent of the electrode active material slurry is evaporated at the above temperature, and it can be seen that the deformation of the aluminum foil begins to appear due to the drying stress after 131 seconds, which is the end of the flat section, 141 As seconds pass, drying is completed, and again, the electrode temperature rapidly increases according to the temperature of the oven. At this time, it can be seen that the aluminum foil is thermally expanded and thermal wrinkles appear as 150 seconds pass.
  • Condition 1 in the case of the composition of the electrode active material slurry, the value of Condition 1 may be set.
  • T3 is 95°C
  • T1 is 80°C when there is no change in electrode temperature, so the t value is set to 15°C.
  • one electrode active material slurry has been disclosed, but this method can obtain a t value in the same way for electrode active material slurries of various compositions, and then when drying the electrode active material slurry of the same composition, the electrode When the above condition 1 is satisfied only by measuring the temperature value, the drying conditions can be automatically changed.
  • Condition 1 varies for each electrode active material slurry, and the drying condition is changed at the same time as the occurrence of thermal wrinkling is changed, so it may not be possible to change the drying condition as a preventive measure.
  • ⁇ electrode temperature increase rate
  • ⁇ electrode temperature increase acceleration
  • electrode temperature increase rate ( ⁇ ) and electrode temperature increase acceleration ( ⁇ ) graphs were obtained along with the electrode temperature between 100 seconds and 180 seconds for drying time.
  • the point at which thermal wrinkles occur in the electrode temperature graph is about 150 °C, and on the other hand, At the point, it is confirmed that the solvent evaporation is complete and drying is completed (after 141 ° C), and thermal wrinkles appear before (before 150 ° C) occurs, and when the above conditions are satisfied, when the drying conditions are changed, More preferably, it was found that by preventing thermal wrinkling, electrode defects were suppressed and productivity was significantly improved, and the drying process of the preliminary electrode could be automated and unmanned.
  • the electrode temperature increase rate ( ⁇ ) is maintained at less than 0, whereas the electrode B In the case of , it can be seen that the electrode temperature continuously increases, and accordingly, the electrode temperature increase rate ( ⁇ ) also exceeds zero.
  • the drying process can be controlled in real time by deriving a thermal wrinkle occurrence index according to the electrode temperature for a secondary battery and recognizing the possibility of thermal wrinkling of the electrode during drying by measuring the electrode temperature in real time. It is possible to automate and unmanned the drying process, and it has the effect of improving productivity by almost eliminating the generation of defective electrodes.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템으로서, 집전체상에 전극 활물질 슬러리가 도포된 예비 전극을 이송하는 이송 유닛, 상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 상기 예비 전극을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛, 및 상기 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정하여 시스템 제어부로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서, 및 센서로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부, 를 포함하고, 상기 건조 조건의 조절은, 하기 센서로부터 전달 받은 정보가 하기의 조건 1 또는 2를 만족할 때 그 조건을 변경시키는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템을 제공한다. [조건1] 여기서 T1은 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지는 동안 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이고, T2는 건조되는 예비 전극의 전극 온도이며, T3는 적용되는 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도에 대해 미리 입력된 값이고, [조건 2] 여기서, 상기 α는 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도이고, 상기 β는 예비 전극의 전극 온도의 증가가속도이다.

Description

이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 04월 21일자 한국 특허 출원 제10-2021-0051620호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템에 관한 것이다.
화석 연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지, 청정 에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기 화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라, 대기 오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 리튬 이차전지는 양극 또는 음극 활물질과, 바인더, 도전재를 슬러리의 형태로 집전체에 코팅 및 건조하여 전극 합제층을 형성시켜 양극과 음극을 제조하고, 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재시킨 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장시킴으로써 제조된다.
또한 이와 같이 제조된 리튬 이차전지의 성능은 상기 리튬 이차전지를 이루는 구성들에 의해 영향을 받고, 이 중 전극 성능은 전극 활물질 슬러리의 코팅 후 용매가 증발되는 건조공정의 건조 프로파일에 큰 영향을 받는다.
그러나, 종래에는 이러한 건조 프로파일은 건조가 완료된 후 제품의 물성 평가를 통해 최적화하여 적용하게 된다.
구체적으로, 상기 전극의 건조 중에 크랙, 열주름, 휨 갈라짐 등이 발생하게 되는데 이러한 불량은 건조 후에 전극 표면의 관찰을 통해 평가하며, 불량 발생시 라인을 멈추어 제품의 전량을 폐기하는 등으로 수행되어 손실이 매우 크다.
따라서, 이러한 손실을 방지하기 위해 건조 중 불량이 발생할 가능성을 사전 인지하여 실시간으로 건조공정을 제어하는 시스템 기술의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 건조 중 열주름의 발생 지표를 설정하고 이의 계산을 위해 전극온도의 측정을 수행하여 열주름 발생 가능성을 실시간으로 인지함으로써 건조 공정을 제어하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 기존 설비를 크게 개조하지 않고 건조 공정을 자동화 및 무인화 할 수 있으며, 이에 따라 제조되는 이차전지용 전극의 불량 발생을 획기적으로 감소시켜 이에 따른 손실을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템은,
집전체상에 전극 활물질 슬러리가 도포된 예비 전극을 이송하는 이송 유닛,
상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 상기 예비 전극을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛, 및
상기 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정하여 시스템 제어부로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서, 및
센서로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부,
를 포함하고,
상기 건조 조건의 조절은,
하기 센서로부터 전달 받은 정보가 하기의 조건 1 또는 2를 만족할 때 그 조건을 변경시키는 것을 특징으로 한다.
[조건 1]
Figure PCTKR2022005146-appb-img-000001
,
여기서 T1은 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지는 동안 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이고, T2는 건조되는 예비 전극의 전극 온도이며, T3는 적용되는 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도에 대해 미리 입력된 값이고,
[조건 2]
Figure PCTKR2022005146-appb-img-000002
여기서, 상기 α는 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도이고, 상기 β는 예비 전극의 전극 온도의 증가가속도이다.
이때, 상기 하나 이상의 센서와 하나 이상의 건조 유닛은 동일한 건조 오븐 내에 설치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 센서는 하나 이상의 건조 유닛과 교번 배열되어 있을 수 있다.
한편, 상기 하나 이상의 센서에서 수집한 정보는 모두 시스템 제어부로 전달되고, 시스템 제어부는 전달된 정보들을 모아 상기 조건들을 판단할 수 있다.
이때, 상기 시스템 제어부에는 상기 예비 전극 건조 시작 전에 전극 활물질 슬러리 정보, 상기 전극 활물질 슬러리에 대해 기존에 얻어진 T3값, 상기 조건 1 및 2, 건조 공정 조건이 입력되어 있고, 상기 시스템 제어부는 센서로부터 전달받은 정보가 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때 건조 조건을 변경하는 것일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 시스템 제어부는 센서로부터 전달 받은 정보로부터 예비 전극의 전극 온도, 전극 온도의 증가 속도, 전극 온도의 증가가속도를 그래프화하고, 그래프로부터 얻어지는 값이 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 조건을 변경하는 것일 수 있다.
상기 시스템 제어부는 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 온도를 낮추거나, 이송 유닛의 이송 속도를 빠르게 하거나, 건조를 더 이상 진행하지 않을 수 있다.
특히, 상기 건조 조건의 변경은, 조건 2를 만족할 때 수행될 수 있다.
한편 상기 하나 이상의 건조 유닛은 열풍을 발생시키는 열풍부이거나, 직접적으로 열을 가하는 방식의 가열부일 수 있고, 상기 하나 이상의 센서는 IR 센서일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 건조 공정 자동화 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 건조 공정 자동화 시스템의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실험예 1에 따른 건조 오븐 내 열주름 평가기구 사진이다.
도 4는 실험예 1에 따른 전극이 건조되는 시간에 따른 전극 온도의 측정 그래프이다.
도 5는 실험예 1에 따른 전극이 건조되는 시간에 따른 전극의 사진이다.
도 6은 실험예 1에 따른 건조 공정 중 100초 내지 180초 내의 전극 온도와, 전극 온도 증가속도, 전극 온도 증가가속도를 측정한 그래프이다.
도 7은 실험예 2에 따른 전극 건조 중 전극 온도, 전극 온도 증가속도, 전극 온도 증가가속도를 측정한 비교 그래프이다.
도 8은 실험예 2에 따른 건조가 완료된 전극의 호일면 사진이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참조하여, 본 발명의 전극 제조장치에 대해 구체적으로 설명한다. 그러나 하기 도면은 하나의 예시일 뿐, 본 발명은 본 발명의 범주 내에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 도면에 한정되지 않는다.
본 발명의 일실시예에 따르면,
이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템으로서,
집전체상에 전극 활물질 슬러리가 도포된 예비 전극을 이송하는 이송유닛,
상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 상기 예비 전극을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛, 및
상기 예비 전극의 전극 온도 및 집전체 이미지를 실시간으로 측정 및 촬영하여 시스템 제어부로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서, 및
센서로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부,
를 포함하고,
상기 건조 조건의 조절은,
하기 센서로부터 전달 받은 정보가 하기의 조건 1 또는 2를 만족할 때 그 조건을 변경시키는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템이 제공된다.
[조건 1]
Figure PCTKR2022005146-appb-img-000003
,
여기서 T1은 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지는 동안 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이고, T2는 건조되는 예비 전극의 전극 온도이며, T3는 적용되는 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도에 대해 미리 입력된 값이고,
[조건 2]
Figure PCTKR2022005146-appb-img-000004
여기서, 상기 α는 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도이고, 상기 β는 예비 전극의 전극 온도의 증가가속도이다.
상기 전극 온도는 센서에서 측정되는 전극 표면 온도이다.
즉, 본 발명에 따르면, 본원은 전극의 건조 과정에서 예비 전극의 전극 온도를 센서가 실시간으로 측정하여, 이를 시스템 제어부에 송달하고, 상기와 같은 특정한 조건을 만족하는 경우에 시스템 제어부가 건조 조건을 조절함으로써, 전극의 집전체의 열주름이 발생하지 않도록 하여 불량률을 낮출 수 있다.
이때, 상기 건조 조건을 조절하게 하는 특정 조건은, 상기와 같은 조건 1 또는 조건 2를 만조하는 경우이다.
먼저, 상기 조건 1을 검토하면, 집전체 열주름의 발생 조건은 전극 활물질 슬러리에 따라 달라질 수 있고, 따라서, 전극 활물질의 슬러리의 조성에 따른 열주름 발생 척도가 될 수 있는 기준이 필요하다.
따라서, 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도(T3)를 시스템 제어부에 입력해놓을 수 있고, 이에 따라, 한번 입력해놓는 경우, 이후의 과정에서는 이를 기반으로, 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정함으로써 상기 조건 1을 만족하는 경우에, 건조 조건 조절이 자동으로 수행될 수 있다.
이때, 상기 T1은 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도로서, 구체적으로 1초 이상 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이다. 이는 이후 설명할 전극 온도 그래프에서 평탄 구간에서의 전극 온도를 의미한다.
또한, 상기 조건 2는, 본 출원의 발명자들이 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 상기 전극 활물질 슬러리의 조성과 관계없이, 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정하고, 이러한 측정 값으로부터 상기 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도와 예비 전극의 전극 온도의 증가 가속도가 상기 범위를 만족하는 경우 상기 조건 2를 만족하는 경우 집전체에 열주름이 발생하는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 상기 시스템 제어부에 상기 조건 1의 값 및/또는 조건 2의 값을 입력하면, 이후 행해지는 전극 건조 과정에서의 예비 전극의 전극 온도 측정만으로 건조 조건을 자동적으로 조절할 수 있어, 무인화가 가능하며, 전극의 열주름 발생율을 획기적으로 감소시킬 수 있어, 경제적이다.
이러한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 건조 조건 자동화 시스템의 모식도를 도 1에 도시하였다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전극 건조 조건 자동화 시스템(1000)은, 전극 활물질 슬러리(111)가 집전체(112) 상에 도포된 예비 전극(110)을 전극 롤(120)로부터 건조 유닛(140)으로 이송하는 이송 유닛(130), 상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 예비 전극(110)을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛(140), 및 예비 전극(110)의 전극 온도를 실시간으로 측정 및 촬영하여 시스템 제어부(160)로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서(150), 및 센서(150)로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부(160)를 포함한다.
예비 전극(110)은 구체적으로, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 및 선택적으로기타 첨가제들을 포함하는 전극 활물질 슬러리(111)가 집전체(112) 상에 도포된 구조일 수 있으며, 전극 활물질 슬러리(111)는 건조 전으로 용매를 포함하는 형태이다.
상기 전극 활물질은 예비 전극이 양극 또는 음극인지에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 이러한 전극 활물질의 구체적인 예들은 당업계에 공지되어 있으며, 어떤 종류의 활물질도 선택 가능하므로, 본원에서는 구체적인 설명을 생략한다.
상기 바인더, 및 도전재 역시 상기 전극 활물질과 마찬가지로, 구체적인 예들은 당업계에 공지되어 있으며, 어떤 종류의 활물질도 선택 가능하므로, 본원에서는 구체적인 설명을 생략한다.
한편, 상기 집전체 역시 상기 예비 전극이 양극 또는 음극인지에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄, 또는 구리 등의 금속 시트, 메시, 필름, 호일 등이 사용될 수 있으며, 당업계에 구체적인 예들이 공지되어 있으므로, 본 발명에서 구체적인 설명은 생략한다.
이러한 예비 전극(110)에는 용매를 증발시키기 위한 건조 공정을 위해 건조 유닛(140)으로 이송되고, 이러한 이송은 이송 유닛(130)에 의해 수행된다.
이송 유닛(130)은 한정되지 아니하나, 예를 들어, 이송 롤일 수 있다.
한편, 예비 전극(110)은 이송 유닛(130)에 의해 건조 유닛(140)으로 이송된다. 이때, 건조 유닛(140)은 이송방향을 따라 4개가 배열되어 있으며, 예비 전극(110)이 이송 유닛(130)에 의해 이송되는 동안 예비 전극(110)을 건조시키는 역할을 수행한다.
건조 유닛(140)의 개수는 하나의 예일 뿐 개수는 하나 이상이면 한정되지 아니하고, 둘 이상인 것이 바람직하다.
또한, 건조 유닛(140)이 여러 개인 경우, 건조 유닛(140)은 동일한 건조 오븐(170) 내에 설치되어 있을 수 있다.
여기서, 건조 유닛(130)은 예비 전극(110)을 건조시킬 수 있는 형태라면 한정되지 아니하나, 예를 들어, 열풍을 발생시키는 열풍부이거나, 직접적으로 열을 가하는 방식의 가열부일 수 있다.
이러한 건조 유닛(140)에 의한 건조 시간은 이송 유닛(130)의 이송 속도에 영향을 받으며, 건조 온도, 이송 유닛(130)의 이송 속도 등의 건조 조건은 이후 설명할 시스템 제어부(160)에 의해 조절된다.
한편, 예비 전극(110)이 건조되는 동안 예비 전극(110)의 전극 온도를 실시간으로 측정하기 위해, 본 발명에 따른 전극 건조 조건 자동화 시스템(1000)은 예비 전극(110)의 전극 온도를 실시간으로 측정하여 시스템 제어부(160)로 정보를 전달하는 센서(150)를 포함한다.
이때, 3개의 센서(150)는 건조 유닛(140)들 사이에 위치하는 형태로 교번 배열되어 있다.
즉, 센서(150)는 이송되는 예비 전극(110)의 전극 온도를 실시간으로 측정하기 위해 상기 건조 공정 내 곳곳에 위치하는 것이 바람직한 바, 예비 전극(110)의 이송방향으로 배열되어 있을 수 있다.
따라서, 센서(150) 역시 건조 유닛(140)과 동일한 건조 오븐(170) 내에 설치되어 있을 수 있다.
이러한 센서(150)는 예비 전극(110)의 전극 온도를 측정할 수 있는 구조라면 한정되지 아니하고, 예를 들어 비접촉식 열감지 센서일 수 있으며, 상세하게는 IR 센서일 수 있다.
한편, 센서(150)에 의해 수집된 정보는 모도 시스템 제어부(160)로 전달되고, 시스템 제어부(160)는 이러한 전달된 정보들을 분석, 계산, 평가하여, 상기 조건들의 만족여부를 판단한 후, 건조 조건의 조절 여부, 방향 등을 결정한다.
구체적으로, 센서에 의해 수집된 정보는 정보 수집부(161)로 전달되고, 이러한 정보에 대한 분석이 완료되면, 이러한 분석에 맞춰 건조 조건 조절부(162)가 건조 조건의 조절을 수행한다.
즉, 시스템 제어부(160)가 작업자가 할 역할을 대신 수행하며, 건조 조건 조절 자동화 시스템을 가능하게 한다.
이러한 시스템 제어부가 하는 역할을 더욱 구체적으로 설명하기 위해 본 발명의 전극 건조 조건 조절 자동화 시스템의 흐름도를 도 2에 모식적으로 도시하였다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 먼저, 시스템 제어부(160)에 상기 예비 전극(110) 건조 시작 전에 전극 활물질 슬러리(111)의 정보를 입력하고(S10), 전극 활물질 슬러리(111)에 대해 기존에 얻어진 T3값, 상기 조건 1 및 2을 입력한 후(S20), 건조 공정 조건을 입력하여 예비 전극(110)의 전극 건조를 수행한다(S30).
예비 전극(110)의 전극 건조 공정 중 하나 이상의 센서(150)가 전극 온도를 실시간으로 측정하고(S40), 이로부터 수집한 정보를 모두 시스템 제어부(160)로 전달한다(S50).
이후, 시스템 제어부(160)는 전달된 정보들을 모아 상기 조건 1 및 2를 만족하는지 여부를 판단하고(S60), 상기 조건 1 및 2 중 어느 하나 이상을 만족하는 경우에 전극 건조 공정 조건을 변경하고(S70), 그렇지 않은 경우에 전극 건조 오븐(170)의 운전 상태를 유지한다(S80).
구체적으로, 상기 시스템 제어부(160)는 센서(150)로부터 전달 받은 정보로부터 예비 전극(110)의 전극 온도, 전극 온도의 증가 속도, 전극 온도의 증가가속도를 그래프화하고, 그래프로부터 얻어지는 값이 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 조건을 변경할 수 있다.
여기서, 건조 조건의 변경은, 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 시스템 제어부(160)는 건조 온도를 낮추거나, 이송 유닛의 이송 속도를 빠르게 하거나, 건조를 더 이상 진행하지 않게 할 수 있다.
특히, 상기 건조 조건의 변경은 조건 2를 만족할 때 수행될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해하기 위해 본 발명에 따른 실험예를 바탕으로, 본 발명에 따른 전극 건조 조건 자동화 시스템에 따라 조건 1 및 2를 판단하는 방법, 및 건조 조건을 자동적으로 수행하는 경우에 열주름을 방지하는 효과에 대해 상세히 설명한다.
<실험예 1>
예비 전극의 제조
전극 활물질로서 그라파이트(graphite), 도전재로 카본 블랙, 및 바인더로 Carboxy methyl cellulose(CMC), Styren-butadien rubber(SBR)를 각각 사용하고, 전극 활물질: 도전재: CMC: SBR의 중량비를 96:1:1:2로 하여 혼합한 혼합물에, 용제인 물에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조(고형분 47%)하고, 이를 구리호일(두께: 8~12㎛)에 도포(200 ㎛)하여 예비 전극(110)을 제조하였다.
건조 시간 및 온도에 따른 열주름 판단
상기 예비 전극(110)을 하기 도 3의 텐션조절봉(210) 사이에 개재하고 건조 오븐 내에 설치하였다. 상기 오븐 내에는 IR 센서(220)가 예비 전극(110)이 장착되는 상부에 설치되어 있으며, 알루미늄 호일에 발생할 열주름을 판단하기 위해, 예비 전극(110)이 장착되는 하부에는 거울(230)이 설치되어 있다. 거울(230)에 비친 알루미늄 호일의 이미지로부터 열주름 발생 여부를 판단할 수 있다.
이와 같은 장치로부터 상기 오븐의 건조 온도를 115℃, 1℃/초로 설정하고, 건조를 수행하면서, IR센서(220)로부터 건조시간과 전극온도에 따른 그래프를 수득하고, 거울(230)로부터 얻어지는 알루미늄 호일의 이미지를 촬영하여 그 결과를 도 4 및 도 5에 도시하였고, 상기 도 4의 결과로부터 건조시간 100초 내지 180초 구간의 전극 온도와, 115℃, 1℃/초로 설정하고, 건조를 수행 를 얻어 도 6에 도시하였다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 예비 전극의 전극 온도는 건조 시간에 따라 승온 속도와 비슷하게 서서히 증가하다가, 어느 순간, 그래프 상에서는 약 80℃ 부근에서 오븐의 온도 상승에도 불구하고 전극 온도는 평탄 구간을 나타낸다. 이는, 상기 온도에서 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지면서 온도 증가가 이루어지지 않는 것이며, 평탄 구간의 끝부분인 131초가 지나면서 건조 스트레스로 인해 알루미늄 호일의 변형이 나타나기 시작하는 것을 알 수 있으며, 141초가 지나면서 건조가 완료되고, 다시 전극 온도가 오븐의 온도에 따라 급격히 증가하는 모습을 나타낸다. 이때, 알루미늄 호일은 열팽창이 이루어지다가 150초가 넘어가면서 열주름이 나타나는 것을 알 수 있다.
이러한 실험으로부터 상기 전극 활물질 슬러리의 조성의 경우에 조건 1의 값을 설정할 수 있다.
구체적으로, 상기 전극 활물질 슬러리 조성의 경우, T3는 95℃이며, T1은 전극 온도의 변화가 없을 때인 80℃가 되므로, t값이 15℃로 정해진다.
따라서, 이후 상기 조성의 전극 활물질 슬러리를 건조시키는 경우, △T = T2-T1가 15℃에 도달할 때, 시스템 제어부는 건조 조건을 변경시키게 된다.
하나의 예로서, 하나의 전극 활물질 슬러리를 개시하였으나, 이러한 방법은 다양한 조성의 전극 활물질 슬러리에 대해서도 동일한 방법으로 t 값을 수득할 수 있고, 이후 동일한 조성의 전극 활물질 슬러리를 건조하는 경우에는, 전극 온도 값을 측정하는 것만으로도 상기 조건 1을 만족할 때 건조 조건을 자동적으로 변경시킬 수 있다.
한편, 본 출원의 발명자들은, 상기 조건 1은 전극 활물질 슬러리마다 그 값이 달라지며, 열주름 발생 시작과 동시에 건조 조건이 변경되어 예방 차원에서 건조 조건을 변경시키지 못할 수 있으므로, 상기와 같은 실험을 다양한 전극 활물질 슬러리에 적용함에 따라, 전극 온도가 아닌, 전극 온도 증가속도(α), 전극 온도 증가가속도(β) 그래프로부터 열주름이 발생하는 좀더 표준적인 지표를 얻을 수 있었다.
구체적으로, 도 6을 참조하면, 상기 도 4의 그래프를 바탕으로, 건조 시간 100초부터 180초 사이의 전극 온도와 더불어 전극 온도 증가속도(α), 전극 온도 증가가속도(β) 그래프를 얻었다.
전극 온도 그래프에서 열주름이 발생하는 지점은 약 150℃인 것을 알 수 있으며, 한편,
Figure PCTKR2022005146-appb-img-000005
인 지점은 용매 증발이 완전히 이루어져 건조가 완료되었으면서(141℃ 이후) 열주름은 발생하기 전(150℃ 이전)에 나타남을 확인하고, 상기와 같은 조건을 만족할 때, 건조 조건을 변경하는 경우, 더욱 바람직하게 열주름 발생을 방지하여, 전극 불량을 억제하고 생산성을 현저히 향상시킴과 동시에 예비 전극의 건조 공정을 자동화 및 무인화할 수 있음을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 조건 2를 만족할 때, 건조 조건을 변경시키는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 이러한 조건은 전극 활물질 슬러리의 조성에 따라 영향을 받지 않고, 열주름이 발생하기 전에 예비 전극의 건조 조건을 조절할 수 있음을 확인하였다.
<실험예 2>
상기 실험예 1에서 제조된 예비 전극을 115℃, 1℃/초로 설정한 오븐 내에서 건조를 수행하면서 센서로부터 얻어진 정보를 바탕으로 상기 조건 1 또는 2를 만족하는 경우에 건조를 더 이상 진행하지 않도록 오븐의 전원이 꺼지게 만든 전극 A와 이러한 조건 설정을 수행하지 않고 건조 조건이 계속하여 유지되도록 한 전극 B에 대해 얻어지는 전극 온도, 전극 온도 증가속도(α), 전극 온도 증가가속도(β)의 비교그래프를 도 7에 도시하였고, 건조가 완료된 후(165초) 알루미늄 호일 면의 사진을 찍어 도 8에 도시하였다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따라 건조 조건을 변경한 전극 A의 경우, 열주름이 발생하는 150초 전에 전극 온도가 하강하면서 전극 온도 증가속도(α)가 0 미만으로 유지되는 반면, 전극 B의 경우, 계속하여 전극 온도가 증가하고, 이에 따라 전극 온도 증가속도(α) 역시 0을 초과하는 양상을 나타낸 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 상기와 같은 결과에 따라 전극 A의 경우 거의 열주름이 발생하지 않은 반면, 전극 B의 경우 전체적으로 열주름이 발생한 것을 확인할 수 있다.
[부호의 설명]
1000: 건조 조건 자동화 시스템
110: 예비 전극
120: 전극 롤
130: 이송 유닛
140: 건조 유닛
150: 센서
160: 시스템 제어부
170: 건조 오븐
200: 열주름 평가기구
210: 텐션조절봉
220: IR 센서
230: 거울
본 발명에 따르면, 이차전지용 전극 온도에 따른 열주름 발생 지표를 도출하고 실시간으로 전극 온도를 측정하여 건조 중 전극의 열주름 발생 가능성을 인지함으로써, 건조 공정을 실시간으로 제어할 수 있고, 이에 따라 전극 건조 공정의 자동화 및 무인화가 가능하며 전극 불량 생성을 거의 제거하여 생선성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템으로서,
    집전체상에 전극 활물질 슬러리가 도포된 예비 전극을 이송하는 이송 유닛,
    상기 이송방향을 따라 배열되어 있고, 상기 예비 전극을 건조시키는 하나이상의 건조 유닛, 및
    상기 예비 전극의 전극 온도를 실시간으로 측정하여 시스템 제어부로 정보를 전달하는 하나 이상의 센서, 및
    센서로부터 정보를 전달받아 건조 조건을 조절하는 시스템 제어부,
    를 포함하고,
    상기 건조 조건의 조절은,
    하기 센서로부터 전달 받은 정보가 하기의 조건 1 또는 2를 만족할 때 그 조건을 변경시키는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템:
    [조건 1]
    Figure PCTKR2022005146-appb-img-000006
    ,
    여기서 T1은 전극 활물질 슬러리의 용매 증발이 이루어지는 동안 예비 전극의 전극 온도의 변화가 없을 때의 전극 온도이고, T2는 건조되는 예비 전극의 전극 온도이며, T3는 적용되는 전극 활물질 슬러리 조성별 열주름 발생이 시작되는 온도에 대해 미리 입력된 값이고,
    [조건 2]
    Figure PCTKR2022005146-appb-img-000007
    여기서, 상기 α는 예비 전극의 전극 온도의 증가 속도이고, 상기 β는 예비 전극의 전극 온도의 증가가속도이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서와 하나 이상의 건조 유닛은 동일한 건조 오븐 내에 설치되어 있는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 하나 이상의 건조 유닛과 교번 배열되어 있는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서에서 수집한 정보는 모두 시스템 제어부로 전달되고, 시스템 제어부는 전달된 정보들을 모아 상기 조건들을 판단하는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어부에는 상기 예비 전극 건조 시작 전에 전극 활물질 슬러리 정보, 상기 전극 활물질 슬러리에 대해 기존에 얻어진 T3값, 상기 조건 1 및 2, 건조 공정 조건이 입력되어 있고, 상기 시스템 제어부는 센서로부터 전달받은 정보가 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때 건조 조건을 변경하는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 온도를 낮추거나, 이송 유닛의 이송 속도를 빠르게 하거나, 건조를 더 이상 진행하지 않는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 센서로부터 전달 받은 정보로부터 예비 전극의 전극 온도, 전극 온도의 증가 속도, 전극 온도의 증가가속도를 그래프화하고, 그래프로부터 얻어지는 값이 상기 조건 1 또는 2를 만족할 때, 건조 조건을 변경하는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 건조 조건의 변경은 조건 2를 만족할 때 수행되는 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 건조 유닛은 열풍을 발생시키는 열풍부이거나, 직접적으로 열을 가하는 방식의 가열부인 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 IR 센서인 이차전지용 전극 건조 조건 자동화 시스템.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007227831A (ja) * 2006-02-27 2007-09-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電気化学素子用電極体の製造方法およびこれを用いた電気化学素子用電極体の製造装置
JP2008103098A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液二次電池用電極板の製造方法およびその製造装置
JP2013084383A (ja) * 2011-10-06 2013-05-09 Toyota Motor Corp 電池用電極の製造方法及び製造装置
KR20130076759A (ko) * 2011-12-28 2013-07-08 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전극 건조 방법 및 전극 건조 장치
JP2015032466A (ja) * 2013-08-02 2015-02-16 日産自動車株式会社 電極製造方法および電極製造装置
KR20180125721A (ko) * 2017-05-16 2018-11-26 주식회사 엘지화학 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007227831A (ja) * 2006-02-27 2007-09-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電気化学素子用電極体の製造方法およびこれを用いた電気化学素子用電極体の製造装置
JP2008103098A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液二次電池用電極板の製造方法およびその製造装置
JP2013084383A (ja) * 2011-10-06 2013-05-09 Toyota Motor Corp 電池用電極の製造方法及び製造装置
KR20130076759A (ko) * 2011-12-28 2013-07-08 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전극 건조 방법 및 전극 건조 장치
JP2015032466A (ja) * 2013-08-02 2015-02-16 日産自動車株式会社 電極製造方法および電極製造装置
KR20180125721A (ko) * 2017-05-16 2018-11-26 주식회사 엘지화학 이차전지 전극 건조오븐 제어 자동화 시스템

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