WO2023008752A1 - 전극 건조 장치 및 이를 포함하는 전극 제조 시스템, 그리고 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 전극 - Google Patents

전극 건조 장치 및 이를 포함하는 전극 제조 시스템, 그리고 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 전극 Download PDF

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김수진
류덕현
박근호
박상진
이관희
이윤주
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode drying apparatus, an electrode manufacturing system including the same, a method for manufacturing an electrode, and an electrode manufactured thereby.
  • Secondary batteries which are highly applicable to each product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) driven by an electrical driving source. It is universally applied. These secondary batteries have not only the primary advantage of significantly reducing the use of fossil fuels, but also the advantage of not generating any by-products due to the use of energy, so they are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and energy efficiency improvement.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • an electrode applied to a secondary battery is manufactured by coating an electrode active material on an electrode current collector.
  • a negative electrode is prepared by coating a slurry containing an anode active material on a negative electrode current collector and then drying the slurry.
  • the slurry volume decreases as the solvent contained in the slurry evaporates, and the sliding phenomenon may be further intensified near the boundary between the area where the electrode active material is applied and the area where the electrode active material is not applied.
  • an object of the present invention is to prevent the precipitation of lithium ions by maintaining the NP Ratio at a certain level or higher by suppressing the occurrence of a sliding region of the electrode.
  • Drying apparatus for achieving the above object is to dry the electrode active material located in the application boundary area including the boundary line between the electrode active material coated portion and the non-coated portion on the electrode current collector.
  • a first drying unit configured; and a second drying unit configured to entirely dry the electrode active material applied on the electrode current collector.
  • the second drying unit may be configured to dry the electrode active material located in an area other than the application boundary area.
  • the second drying unit may be configured to dry both the electrode active material located in the application boundary region and the electrode active material located in an area other than the application boundary region.
  • the drying device may be configured such that drying by the first drying unit precedes drying by the second drying unit.
  • the drying device may be configured to transfer the electrode current collector along a direction in which the boundary line extends.
  • the first drying unit and the second drying unit may be spaced apart from each other along a direction in which the boundary line extends.
  • the drying device may further include a boundary detection sensor for detecting the application boundary region.
  • the drying apparatus may further include a control unit that controls the movement of the first drying unit to move on the application boundary region by referring to a sensing result of the boundary detection sensor.
  • the drying device may further include a transport unit for transporting the electrode current collector coated with the electrode active material in one direction.
  • the electrode current collector may be a negative electrode current collector
  • the electrode active material may be a negative electrode active material
  • an electrode manufacturing system for achieving the above object includes a coating device for applying an electrode active material on at least one surface of an electrode current collector; and a drying device for drying the electrode active material applied by the coating device.
  • the electrode manufacturing system may further include a rolling device for rolling the dried electrode active material.
  • the electrode manufacturing method for achieving the above object, (S1) preparing an electrode current collector; (S2) applying an electrode active material to at least a portion of the current collector; (S3) drying the electrode active material located in the application boundary region including the boundary line between the electrode active material coated portion and the non-coated portion on the electrode current collector; and (S4) drying the entire area of the current collector; includes
  • the step (S4) may be a step of drying the electrode active material located in an area other than the application boundary area.
  • the step (S4) may be a step of drying both the electrode active material located in the application area and the electrode active material located in an area other than the application boundary area.
  • the drying according to the step (S3) may be preceded by the drying according to the step (S4).
  • the electrode manufacturing method may further include transferring the electrode current collector along a direction in which the boundary line extends.
  • the drying according to the step (S3) and the drying according to the step (S4) may be simultaneously performed at locations spaced apart from each other along the direction in which the boundary line extends.
  • the electrode manufacturing method may further include (S5) rolling the dried electrode active material.
  • an electrode according to one aspect of the present invention for achieving the above object includes an electrode current collector and an electrode active material applied on the electrode current collector, and a portion where the electrode active material is applied on the electrode current collector. Drying of the electrode active material portion located in the application boundary area including the boundary line between the electrode active material and the uncoated portion is primarily performed, and the electrode active material applied on the electrode current collector is completely dried secondarily.
  • the area dried by the secondary drying may be a part of the electrode active material located in an area other than the application boundary area.
  • the area dried by the secondary drying may be the entire area including the electrode active material portion located in the application boundary region and the electrode active material portion located in an area other than the application boundary region.
  • the electrode may be a cathode.
  • the NP Ratio is maintained at a certain level or higher, and the precipitation of lithium ions is prevented.
  • the safety and efficiency of the battery are increased.
  • FIG. 2 is a view showing a state in which an electrode active material is applied on an electrode current collector.
  • FIG. 3 is a view showing an electrode dried by the drying apparatus of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a view showing an electrode dried by a conventional drying method.
  • FIG. 5 is a view showing a graph for comparing the thickness of the dried electrode active material of FIGS. 3 and 4 .
  • FIG. 1 is a view showing a drying apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a state in which an electrode active material is applied on an electrode current collector.
  • a drying apparatus 100 includes a first drying unit 110 and a second drying unit 120 .
  • the drying device 100 is a device that dries the electrode 10 during the manufacturing process of the secondary battery.
  • the electrode current collector 10a and the electrode active material 10b will be described later in detail with reference to FIGS. 2 to 4 .
  • At least one of the first drying unit 110 and the second drying unit 120 may be a hot air blower that supplies air at a temperature higher than room temperature. That is, the electrode active material 10b may be dried using hot air of high temperature.
  • At least one of the first drying unit 110 and the second drying unit 120 may be an IR heater (InfraRed Heater).
  • An IR heater is a heater that heats an object to be heated by causing molecular movement of the object to be heated using infrared rays. Therefore, when the IR heater is employed in the first drying unit 110 or the second drying unit 120 of the present invention, infrared rays generate molecular motion of the slurry containing the electrode active material 10b to can be heated. Therefore, the electrode active material 10b may be dried by heat.
  • the types of the first drying unit 110 and the second drying unit 120 are not limited thereto, and any device capable of smoothly drying the electrode active material 10b can be employed.
  • the first drying unit 110 or the second drying unit 120 may be a vacuum dryer that dries the object to be dried using a vacuum.
  • the first drying unit 110 removes the electrode active material 10b located in the application boundary region B including the boundary between the coated portion and the non-coated portion of the electrode current collector 10a. It can be configured to dry.
  • the second drying unit 120 may be configured to entirely dry the electrode active material 10b coated on the electrode current collector 10a.
  • the drying apparatus of the present invention may be configured so that drying by the first drying unit 110 precedes drying by the second drying unit 120 .
  • the electrode active material 10b located in the application boundary area B may be transferred to the application boundary area B by the operation sequence and/or arrangement position of the first drying unit 110 and the second drying unit 120. It may be dried earlier than the electrode active material 10b located in the outer region.
  • the first drying unit 110 may be disposed upstream of the second drying unit 120 in the transfer direction F of the electrode current collector 10a. Therefore, in the electrode current collector 10a being transported in one direction, the electrode active material 10b located in the application boundary region B may be first dried by the first drying unit 110 .
  • the electrode active material 10b located in the application boundary region B where the electrode active material 10b is applied can be controlled. Then, the electrode active material 10b coated on the electrode current collector 10a may be entirely dried by the second drying unit 120 disposed downstream in the transport direction F.
  • the second drying unit 120 may be configured to dry the electrode active material 10b located in an area other than the application boundary area B.
  • the electrode active material 10b located in the application boundary region B is already dried by the first drying unit 110, when additionally dried by the second drying unit 120, the electrode active material ( A phenomenon in which the electrode active material 10b is broken may occur during a subsequent process such as a rolling process due to the possibility that the volume of 10b) may be excessively reduced and/or overdrying.
  • the second drying unit 120 may be configured to exclude the application boundary region B and dry only the electrode active material 10b located in an area other than the application boundary region B. In this case, excessive volume reduction of the electrode active material 10b located in the application boundary region B and/or breakage of the electrode active material 10b during the rolling process may be prevented.
  • the second drying unit 120 may dry both the electrode active material 10b located in the application boundary region B and the electrode active material 10b located in an area other than the application boundary region B.
  • the size of the electrode 10 may be different. Therefore, when drying various types of electrodes 10 having different sizes, an additional process of dividing the application boundary area B and the area other than the application boundary area B may be required. These additional steps can increase cost and complicate the manufacturing process. Therefore, the second drying unit 120 is applied to the electrode active material 10b located in the application boundary region B and the application boundary region ( All of the electrode active materials 10b located in areas other than B) may be dried at the same time. In this case, drying conditions (drying temperature, drying time, etc.) by the first drying unit 110 and/or the second drying unit 120 may be appropriately adjusted, thereby preventing problems due to overdrying from occurring. can
  • the drying apparatus 100 may further include a boundary detection sensor 130 and/or a transfer unit 140 and/or a control unit 150.
  • the boundary detection sensor 130 is a sensor that detects the application boundary region (B).
  • the boundary detection sensor 130 for example, an image recognition camera, an ultrasonic sensor, and the like may be applied. However, this is an example, and any device capable of detecting a boundary may be employed as the boundary sensor 130 of the present invention.
  • Transfer of the electrode current collector 10a may be performed by, for example, the transfer unit 140 .
  • the transfer unit 140 may be configured to transfer the electrode 10 in one direction. More specifically, the transfer unit 140 may be configured to transfer the electrode current collector 10a coated with the electrode active material 10b in one direction.
  • an uncoated line (not shown) having a predetermined width to which the electrode active material 10b is not applied extends along a direction parallel to the transport direction F of the electrode 10. can be placed. That is, the drying device may be configured to transfer the electrode current collector 10a along a direction in which the boundary line between the coated area and the uncoated area of the electrode active material 10b extends.
  • first drying unit 110 and the second drying unit 120 may be spaced apart from each other along a direction in which the boundary line extends, for example.
  • first drying unit 110 and the second drying unit 120 are arranged in this way, drying by the first drying unit 110 and the second drying unit 120 is performed along the direction in which the boundary line extends.
  • Each may be performed simultaneously at locations spaced apart from each other.
  • the transfer unit 140 may be an assembly of a plurality of rollers disposed below the electrode 10 . As the roller rotates, the electrode 10 placed on the roller may be transported in the transport direction F by frictional force. Alternatively, although not shown in the drawing, the transfer unit 140 may be, for example, a conveyor belt.
  • the transfer unit 140 may be provided as a part of the drying device 100, or may be provided as a separate component from the drying device 100.
  • the transfer unit 140 is, for example, an unwinding roll for unwinding the wound electrode 10 or the electrode current collector 10a and winding the dried electrode 10 again.
  • a winding roll may be included.
  • the electrode current collector 10a or the electrode 10 may be wound on an unwinding roll.
  • the rolled electrode current collector 10a or the electrode 10 may be unwound by rotation of the unwinding roll and transported in a flat shape.
  • the electrode current collector 10a enters a coating device to be described later along the transport direction F and then Afterwards, it is possible to enter an area where the drying device 100 is disposed.
  • the electrode 10 may enter the area where the drying device 100 is installed along the transport direction F. there is. Thereafter, the dried flat electrode current collector 10a may be re-wound on a winding roll. That is, the electrode current collector 10a or the electrode 10 may be transported in one direction by rotation of the unwinding roll and the winding roll.
  • the specific embodiment of the transfer unit 140 is not limited thereto, and any device capable of transferring the electrode current collector 10a or the electrode 10 in one direction may be employed in the transfer unit 140 of the present invention. there is.
  • the electrode manufacturing method may further include transferring the electrode current collector 10a along a direction in which the boundary line extends. In this case, the drying according to the step (S3) and the drying according to the step (S4) may be simultaneously performed at positions spaced apart from each other along the direction in which the boundary line extends.
  • FIG. 2 is a view showing a state in which an electrode active material is applied on an electrode current collector.
  • FIG. 3 is a view showing an electrode dried by the drying apparatus of FIG. 1
  • FIG. 4 is a view showing an electrode dried by a conventional drying method.
  • the electrode active material 10b does not necessarily mean only a compound acting as a positive electrode active material or a compound acting as a negative electrode active material itself as described above. That is, in the present invention, the electrode active material 10b may further include an additive such as a binder and/or a thickener in addition to a compound acting as a positive electrode active material or a compound acting as a negative electrode active material. Also, in the present invention, the electrode active material 10b may refer to an electrode active material in a slurry state including a solvent for dispersing the above-described materials. That is, in the present invention, the slurry means the electrode active material 10b in a state before drying.
  • FIG. 2 is a view showing a state in which the electrode active material 10b is applied on the electrode current collector 10a.
  • the electrode active material 10b before drying has a slurry form containing a solvent.
  • a slurry containing an electrode active material 10b is applied on an electrode current collector 10a.
  • one end of the slurry located in the application boundary region B of the applied slurry has a shape substantially perpendicular to the electrode current collector 10a.
  • some degree of sliding may occur at one end of the slurry located in the application boundary region B due to fluidity of the slurry. That is, less slurry can be applied in the application boundary region B than in areas other than the application boundary region B. Therefore, the sliding area may be formed even before the electrode 10 is dried.
  • FIG. 3 showing the electrode 10 dried by the drying apparatus 100 according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the volume reduction of the slurry in the application boundary region B hardly occurs. . That is, transverse shrinkage of the slurry in the application boundary region (B) is controlled. Therefore, in the electrode 10 dried by the drying apparatus 100 of the present invention, the sliding area S appears only in a very narrow area.
  • FIG. 5 is a view showing a graph for comparing the thickness of the dried electrode active material of FIGS. 3 and 4 .
  • 3 is an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a comparative example of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 건조 장치는, 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하도록 구성되는 제 1 건조 유닛 및 전극 집전체 상에 도포된 전극 활물질을 전체적으로 건조하도록 구성되는 제 2 건조 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전극 건조 장치 및 이를 포함하는 전극 제조 시스템, 그리고 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 전극
본 발명은 전극 건조 장치 및 이를 포함하는 전극 제조 시스템, 그리고 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 전극에 관한 것이다.
본 출원은, 2021년07월26일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0098017호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 이차 전지에 적용되는 전극은 전극 집전체 상에 전극 활물질을 도포하여 제조된다. 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포한 뒤 건조하여 음극 전극을 제조한다.
한편, 슬라이딩 현상이란, 전극 활물질이 포함된 슬러리의 퍼짐에 의해, 슬러리 도포 경계 영역 외의 영역보다, 슬러리 도포 경계 영역에서 전극 활물질이 더 적게 도포되어 도포 경계 영역의 슬러리가 대략 경사진 형태를 갖는 현상을 의미한다.
여기서, 전극을 전체적으로 건조하면, 슬러리에 포함된 용매가 증발하면서 슬러리 부피가 감소하면서, 전극 활물질이 도포된 영역과 도포되지 않은 영역의 경계 부근에서 슬라이딩 현상이 더 심화될 수 있다.
이러한 심화된 슬라이딩 현상에 의해 형성된 슬라이딩 영역에서는, 양/음극의 NP Ratio가 100% 이하로 역전되어, 리튬 금속이 석출되는 문제가 발생할 수 있다. NP Ratio란, 음극 활물질과 양극 활물질의 단위면적당 용량의 비율을 의미한다. 일반적으로 리튬 이온 이차 전지는 음극 활물질의 용량을 양극 활물질의 용량보다 크게 제조하고 있다. 따라서, 일반적인 NP Ratio는 100%보다 크다. 슬라이딩 현상에 의해 양/음극의 NP Ratio가 100% 이하로 감소되어 석출된 리튬 금속은 침상으로 성장하여 전지의 단락을 발생시킬 수 있다. 또한, 금속 리튬의 석출로 인해 리튬 이온이 감소하여 전지 효율 감소 및 용량 감소가 나타날 수 있다.
따라서, 전극 제조 시 슬라이딩 영역의 발생을 억제함으로써, NP Ratio를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차 전지의 전극 제조 시 슬라이딩 영역의 발생을 억제하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은, 전극의 슬라이딩 영역 발생을 억제함으로써, NP Ratio를 일정 수준 이상으로 유지하여, 리튬 이온의 석출을 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 리튬 이온의 석출을 방지함으로써, 전지의 안전성 및 효율성을 증대시키는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 건조 장치는, 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하도록 구성되는 제 1 건조 유닛; 및 상기 전극 집전체 상에 도포된 전극 활물질을 전체적으로 건조하도록 구성되는 제 2 건조 유닛; 을 포함한다.
여기서, 상기 제 2 건조 유닛은, 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하도록 구성될 수 있다.
또는, 상기 제 2 건조 유닛은, 상기 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질 및 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 모두 건조하도록 구성될 수 있다.
상기 건조 장치는, 상기 제 1 건조 유닛에 의한 건조가 상기 제 2 건조 유닛에 의한 건조보다 선행되도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제 1 건조 유닛은, 상기 제 2 건조 유닛보다, 상기 전극 집전체의 이송 방향의 상류에 배치될 수 있다.
상기 건조 장치는, 상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 상기 전극 집전체를 이송하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 건조 유닛과 상기 제 2 건조 유닛은, 상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 서로 이격되어 위치할 수 있다.
한편, 상기 건조 장치는, 상기 도포 경계 영역을 감지하는 경계 감지 센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 건조 장치는, 상기 경계 감지 센서의 센싱 결과를 참조하여 상기 제 1 건조 유닛이 상기 도포 경계 영역 상으로 이동하도록 그 움직임을 제어하는 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 건조 장치는, 상기 전극 활물질이 도포된 전극 집전체를 일 방향으로 이송하는 이송 유닛을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 전극 집전체는, 음극 집전체일 수 있고, 상기 전극 활물질은 음극 활물질일 수 있다.
한편, 상기 제 1 건조 유닛 및 제 2 건조 유닛 중 적어도 어느 하나는, 상온보다 높은 온도의 공기를 공급하는 열풍기일 수 있다.
또는, 상기 제 1 건조 유닛 및 제 2 건조 유닛 중 적어도 어느 하나는, IR 히터(InfraRed Heater)일 수도 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전극 제조 시스템은, 전극 집전체의 적어도 일 면 상에 전극 활물질을 도포하는 코팅 장치; 및 상기 코팅 장치에서 도포된 전극 활물질을 건조하는 건조 장치; 를 포함한다.
상기 전극 제조 시스템은, 건조가 완료된 전극 활물질을 압연하는 압연 장치를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전극 제조 방법은, (S1) 전극 집전체를 마련하는 단계; (S2) 전극 활물질을 상기 전극 집전체의 적어도 일 부분에 도포하는 단계; (S3) 상기 전극 집전체 상에 상기 전극 활물질이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하는 단계; 및 (S4) 상기 전극 집전체 전 영역을 건조하는 단계; 를 포함한다.
여기서, 상기 (S4) 단계는, 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하는 단계일 수 있다.
또는, 상기 (S4) 단계는, 상기 도포 영역에 위치한 전극 활물질 및 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 모두 건조하는 단계일 수 있다.
한편, 상기 전극 집전체의 이송 방향을 따라 임의의 지점에 위치하는 전극 활물질 영역을 건조함에 있어서, 상기 (S4) 단계에 따른 건조에 앞서 상기 (S3) 단계에 따른 건조가 선행될 수 있다.
상기 전극 제조 방법은, 상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 상기 전극 집전체를 이송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (S3) 단계에 따른 건조 및 상기 (S4) 단계에 따른 건조는, 상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 서로 이격된 위치에서 각각 동시에 수행될 수 있다.
상기 전극 제조 방법은, (S5) 건조가 완료된 전극 활물질을 압연하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전극은, 전극 집전체 및 상기 전극 집전체 상에 도포된 전극 활물질을 포함하며, 상기 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질 부분에 대한 건조가 1차적으로 이루어지고, 상기 전극 집전체 상에 도포된 전극 활물질의 전체적인 건조가 2차적으로 이루어진다.
상기 2차적인 건조에 의해 건조되는 영역은, 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질의 일부분일 수 있다.
상기 2차적인 건조에 의해 건조되는 영역은, 상기 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질 부분 및 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질 부분을 포함하는 전체 영역일 수 있다.
상기 전극은, 음극일 수 있다.
본 발명에 의하면, 이차 전지의 전극 제조 시 슬라이딩 영역의 발생이 억제된다.
나아가, 본 발명에 의하면, NP Ratio가 일정 수준 이상으로 유지되고, 리튬 이온의 석출이 방지된다.
또한, 본 발명에 의하면, 전지의 안전성 및 효율성이 증대된다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건조 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 건조 장치에 의해 건조된 전극을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 건조 방법으로 건조된 전극을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 건조된 전극 활물질의 두께를 비교하기 위한 그래프를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건조 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포된 상태를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 건조 장치(100)는 제 1 건조 유닛(110) 및 제 2 건조 유닛(120)을 포함한다.
후술할 이차 전지의 전극(10)을 제조하기 위해서는, 전극 집전체(10a) 상에 전극 활물질(10b)을 도포한 뒤 건조하는 과정이 필요하다. 상기 건조 장치(100)는, 이차 전지의 제조 과정 중 전극(10)을 건조하는 장치이다. 전극 집전체(10a) 및 전극 활물질(10b)에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
상기 제 1 건조 유닛(110) 및 제 2 건조 유닛(120) 중 적어도 어느 하나는, 상온보다 높은 온도의 공기를 공급하는 열풍기일 수 있다. 즉, 고온의 열풍을 이용하여 전극 활물질(10b)을 건조시킬 수 있다.
또는, 상기 제 1 건조 유닛(110) 및 제 2 건조 유닛(120) 중 적어도 어느 하나는, IR 히터(InfraRed Heater)일 수도 있다. IR 히터는 적외선을 이용해 피가열체의 분자 운동을 야기하여 피가열체를 가열하는 히터이다. 따라서, IR 히터가 본 발명의 제 1 건조 유닛(110) 또는 제 2 건조 유닛(120)에 채용될 경우, 적외선이 전극 활물질(10b)이 포함된 슬러리의 분자 운동을 발생시켜 전극 활물질(10b)을 가열할 수 있다. 따라서 상기 전극 활물질(10b)은 열에 의해 건조될 수 있다.
다만, 제 1 건조 유닛(110) 및 제 2 건조 유닛(120)의 종류는 이에 한정되는 것은 아니며, 전극 활물질(10b)을 원활하게 건조할 수 있는 장치라면 채용 가능하다. 예를 들면, 상기 제 1 건조 유닛(110) 또는 제 2 건조 유닛(120)은 진공을 이용해 피건조물을 건조하는 진공 건조기일 수도 있다.
상기 제 1 건조 유닛(110)은 전극 집전체(10a) 상에 전극 활물질(10b)이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)을 건조하도록 구성될 수 있다. 상기 제 2 건조 유닛(120)은, 상기 전극 집전체(10a) 상에 도포된 전극 활물질(10b)을 전체적으로 건조하도록 구성될 수 있다.
본 발며의 건조 장치는, 제 1 건조 유닛(110)에 의한 건조가 제 2 건조 유닛(120)에 의한 건조보다 선행되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 건조 유닛(110) 및 제 2 건조 유닛(120)의 작동 순서 및/또는 배치 위치에 의해, 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)이 도포 경계 영역(B) 외의 영역에 위치한 전극 활물질(10b)보다 먼저 건조될 수 있다. 예를 들면, 제 1 건조 유닛(110)은, 상기 제 2 건조 유닛(120)보다, 상기 전극 집전체(10a)의 이송 방향(F)의 상류에 배치될 수 있다. 따라서, 일 방향으로 이송되는 전극 집전체(10a)에 있어서, 제 1 건조 유닛(110)에 의해, 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)이 먼저 건조될 수 있다. 이에 따라, 전극 활물질(10b)이 도포된 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)의 횡방향 수축이 제어될 수 있다. 그 후, 이송 방향(F)의 하류에 배치된 제 2 건조 유닛(120)에 의해 상기 전극 집전체(10a) 상에 도포된 전극 활물질(10b)이 전체적으로 건조될 수 있다.
한편, 상기 제 2 건조 유닛(120)은, 상기 도포 경계 영역(B) 외의 영역에 위치한 전극 활물질(10b)을 건조하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)은 이미 제 1 건조 유닛(110)에 의해 건조되어 있기 때문에, 제 2 건조 유닛(120)에 의해 추가적으로 건조될 경우, 전극 활물질(10b)의 부피가 더 과도하게 감소될 가능성 및/또는 과건조로 인해 압연 공정과 같은 후속 공정 진행 시에 전극 활물질(10b)이 깨지는 현상이 발생될 수 있다. 따라서, 제 2 건조 유닛(120)은, 도포 경계 영역(B)을 배제하고, 도포 경계 영역(B) 외의 영역에 위치한 전극 활물질(10b)만을 건조하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)의 과도한 부피 감소 현상 및/또는 압연 공정 진행 시에 전극 활물질(10b)이 깨지는 현상을 방지할 수 있다.
한편, 상기 제 2 건조 유닛(120)은, 상기 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b) 및 상기 도포 경계 영역(B) 외의 영역에 위치한 전극 활물질(10b)을 모두 건조할 수도 있다. 예를 들어, 이차 전지의 종류에 따라, 전극(10)의 크기가 상이할 수 있다. 따라서, 크기가 상이한 여러 종류의 전극(10)을 건조하는 경우, 도포 경계 영역(B)과 도포 경계 영역(B) 외의 영역을 구분하는 추가적인 과정이 필요해 질 수 있다. 이러한 추가적인 과정은 비용을 증가시키고 제조 과정을 복잡하게 만들 수 있다. 따라서, 크기가 상이한 여러 종류의 전극(10)을 건조하는 경우에도 모두 적용 가능하도록, 제 2 건조 유닛(120)이, 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b) 및 상기 도포 경계 영역(B) 외의 영역에 위치한 전극 활물질(10b)을 동시에 모두 건조할 수 있다. 이 경우, 제 1 건조 유닛(110) 및/또는 제 2 건조 유닛(120)에 의한 건조 조건(건조 온도, 건조 시간 등)을 적절히 조절할 수 있으며, 이로써 과건조에 따른 문제점이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 건조 장치(100)는 경계 감지 센서(130) 및/또는 이송 유닛(140) 및/또는 제어 유닛(150)을 더 포함할 수 있다.
상기 경계 감지 센서(130)는 상기 도포 경계 영역(B)을 감지하는 센서이다. 상기 경계 감지 센서(130)로는 예를 들어, 화상 인식 카메라, 초음파 센서 등이 적용될 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이며, 경계를 감지할 수 있는 장치라면 본 발명의 경계 감지 센서(130)에 채용될 수 있다.
전극 집전체(10a)의 이송은, 예를 들어 이송 유닛(140)에 의해 수행될 수 있다. 상기 이송 유닛(140)은 전극(10)을 일 방향으로 이송하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 이송 유닛(140)은 전극 활물질(10b)이 도포된 전극 집전체(10a)를 일 방향으로 이송하도록 구성될 수 있다. 상기 전극(10)은, 예를 들어, 전극 활물질(10b)이 도포되지 않은 소정의 폭을 갖는 무지부 라인(미도시)이 전극(10)의 이송 방향(F)과 나란한 방향을 따라 연장되도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 건조 장치는, 전극 활물질(10b)의 도포 영역과 미도포 영역의 경계선이 연장되는 방향을 따라 전극 집전체(10a)를 이송하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 건조 유닛(110)과 제 2 건조 유닛(120)은, 예를 들어 상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 서로 이격되어 위치할 수 있다. 상기 제 1 건조 유닛(110)과 제 2 건조 유닛(120)이 이와 같이 배치되는 경우, 제 1 건조 유닛(110)과 제 2 건조 유닛(120)에 의한 건조는 상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 서로 이격된 위치에서 각각 동시에 수행될 수 있다.
예를 들어, 도 1을 참조하면, 상기 이송 유닛(140)은 전극(10) 하방에 배치된 복수의 롤러들의 집합체일 수 있다. 상기 롤러가 회전하면서 상기 롤러 상에 놓여진 전극(10)이 마찰력에 의해 이송 방향(F)으로 이송될 수 있다. 또는, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 이송 유닛(140)은 예를 들어 컨베이어 벨트일 수도 있다.
한편, 상기 이송 유닛(140)은 건조 장치(100)의 일부로서 제공될 수도 있으나, 건조 장치(100)와 별도의 구성요소로서 제공될수도 있다. 예를 들어, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 이송 유닛(140)은 예를 들어 권취된 전극(10) 또는 전극 집전체(10a)를 풀어주는 권출롤 및 건조된 전극(10)을 다시 권취하는 권취롤을 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 전극 집전체(10a) 또는 전극(10)은 권출롤 상에 권취되어 있을 수 있다. 권취되어 있던 상기 전극 집전체(10a) 또는 전극(10)은, 권출롤의 회전에 의해 풀어져서 평평한 형태로 이송될 수 있다. 상기 권출롤에 감겨져 있던 요소가 전극 활물질(10b)의 코팅이 이루어지지 않은 전극 집전체(10a)라면, 전극 집전체(10a)는 이송 방향(F)을 따라 후술할 코팅 장치로 진입한 뒤 그 후 상기 건조 장치(100)가 배치된 영역으로 진입할 수 있다. 이와는 달리, 상기 권출롤에 감겨져 있던 요소가 전극 활물질(10b)의 코팅이 완료된 전극(10)이라면, 전극(10)은 이송 방향(F)을 따라 건조 장치(100)가 설치된 영역으로 진입할 수 있다. 그 후 평평한 형태의 건조된 전극 집전체(10a)는 다시 권취롤 상에서 권취될 수 있다. 즉, 권출롤과 권취롤의 회전에 의해, 상기 전극 집전체(10a) 또는 전극(10)은 일 방향으로 이송될 수 있다.
다만, 이송 유닛(140)의 구체적인 실시 형태는 이에 한정되지 않으며, 전극 집전체(10a) 또는 전극(10)을 일 방향으로 이송할 수 있는 장치라면 본 발명의 이송 유닛(140)에 채용될 수 있다.
상기 제어 유닛(150)은 상기 경계 감지 센서(130)의 센싱 결과를 참조하여 상기 제 1 건조 유닛(110)이 상기 도포 경계 영역(B) 상으로 이동하도록 그 움직임을 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 1을 참조하면, 경계 감지 센서(130)가 도포 경계 영역(B)을 감지하여 그 감지 결과를 포함한 신호를 제어 유닛(150)으로 송신할 수 있다. 제어 유닛(150)은 상기 수신한 신호를 바탕으로, 제 1 건조 유닛(110)의 위치 값이 미리 정해진 값과 일치하는지 여부를 판단할 수 있다. 만약 제 1 건조 유닛(110)의 위치 값이 미리 정해진 값과 일치하지 않으면, 상기 제어 유닛(150)은 상기 제 1 건조 유닛(110)에 이동 명령 신호를 송신할 수 있다. 상기 이동 명령 신호를 수신한 제 1 건조 유닛(110)은 상기 신호에 의거하여 도포 경계 영역(B) 상으로 이동할 수 있다. 따라서, 제 1 건조 유닛(110)은 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)을 확실하게 건조할 수 있다.
위와 같은 실시예를 따르는 본 발명의 제어 유닛(150)에 의하면, 크기가 상이한 여러 종류의 전극(10)을 건조하는 경우에도, 정확한 도포 경계 영역(B)을 파악하여 도포 경계 영역(B)을 선 건조할 수 있게 된다.
상기 제어 유닛(150)은, 제 1 건조 유닛(110) 및 제 2 건조 유닛(120)의 건조 강도를 제어할 수도 있다. 또한, 상기 제어 유닛(150)은, 상기 이송 유닛(140)의 이송 속도를 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극(10)은, 전극 집전체(10a) 및 전극 집전체(10a) 상에 도포된 전극 활물질(10b)을 포함한다. 상기 전극(10)에 있어서, 전극 집전체(10a) 상에 전극 활물질(10b)이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질(10a) 부분에 대한 건조가 1차적으로 이루어질 수 있다. 이 후, 상기 전극 집전체(10a) 상에 도포된 전극 활물질(10b)의 전체적인 건조가 2차적으로 이루어질 수 있다.
상기 2차적인 건조에 의해 건조되는 영역은, 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질(10b)의 일부분일 수 있다. 이와는 달리, 상기 2차적인 건조에 의해 건조되는 영역은, 상기 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질(10b) 부분 및 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질(10b) 부분을 포함하는 전체 영역일 수 있다.
한편, 이처럼 일부 영역에 대한 선건조 후 전체적으로 후건조를 진행함으로써 제조되는 본 발명의 전극(10)은 음극일 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예를 따르는 전극 제조 시스템(1)은, 상기 건조 장치(100) 및 코팅 장치(미도시)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 전극 제조 시스템(1)은, 전극 집전체(10a)의 적어도 일 면 상에 전극 활물질(10b)을 도포하는 코팅 장치; 및 상기 코팅 장치에서 도포된 전극 활물질(10b)을 건조하는 건조 장치(100); 를 포함할 수 있다. 한편, 상기 전극 제조 시스템(1)은, 그 밖에 압연 장치(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 상기 압연 장치는, 1차 건조 및 2차 건조가 모두 완료된 전극 활물질(10b)을 압연하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 따르는 전극 제조 방법은, (S1) 전극 집전체(10a)를 마련하는 단계; (S2) 전극 활물질(10b)을 상기 전극 집전체(10a)의 적어도 일 부분에 도포하는 단계; (S3) 상기 전극 집전체(10a) 상에 상기 전극 활물질(10b)이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)을 건조하는 단계; 및 (S4) 상기 전극 집전체(10a) 상에 도포된 전극 활물질(10b)을 전체적으로 건조하는 단계; 를 포함할 수 있다. 상기 전극 제조 방법은, (S5) 건조가 완료된 전극 활물질(10b)을 압연하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 상기 (S4) 단계는, 도포 경계 영역(B) 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하는 단계일 수 있다. 이와는 달리, 상기 (S4) 단계는, 상기 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질(10b) 및 상기 도포 경계 영역(B) 외의 영역에 위치한 전극 활물질(10b)을 모두 건조하는 단계일 수도 있다.
한편, 상기 전극 집전체(10a)의 이송 방향(F)을 따라 임의의 지점에 위치한 전극 활물질 영역을 건조함에 있어서, 상기 (S4) 단계에 따른 건조에 앞서 상기 (S3) 단계에 따른 건조가 선행될 수 있다. 상기 전극 제조 방법은, 상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 전극 집전체(10a)를 이송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 (S3) 단계에 따른 건조 및 (S4) 단계에 따른 건조는, 상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 서로 이격된 위치에서 각각 동시에 수행될 수 있다.
이와 같은 제조 방법에 의하면, 상기 전극 집전체(10a) 상에 상기 전극 활물질(10b)이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역(B)에 위치한 전극 활물질(10b)을 먼저 건조시킴으로써, 전극 활물질(10b)의 횡방향 수축이 제어될 수 있다. 이에 따라, 슬라이딩 영역(S)의 발생이 현저하게 감소될 수 있다. 슬라이딩 영역(S) 발생 억제 효과에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포된 상태를 나타낸 도면이다. 한편, 도 3은 도 1의 건조 장치에 의해 건조된 전극을 나타내는 도면이고, 도 4는 종래의 건조 방법에 의해 건조된 전극을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 전극(10)은 전극 집전체(10a) 및 전극 활물질(10b)을 포함한다.
상기 전극(10)은 예를 들어 양극일 수도 있고 음극일 수도 있다. 상기 전극(10)이 양극일 경우, 전극 집전체(10a)는 양극 집전체이고 전극 활물질(10b)은 양극 활물질일 수 있다. 이 때, 상기 양극 집전체는 알루미늄을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 양극 활물질은 금속염의 구성 성분에 따라 LCO, NCM, NCMA, NCMX, NCA, LMO, LFP 등이 될 수 있다. 한편, 상기 전극(10)이 음극일 경우, 전극 집전체(10a)는 음극 집전체이고 전극 활물질(10b)은 음극 활물질일 수 있다. 이 때, 상기 음극 집전체는 구리를 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 음극 활물질은 흑연 또는 실리콘을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 전극 활물질(10b)은, 반드시 상술한 바와 같은 양극 활물질로서 작용하는 화합물 또는 음극 활물질로서 작용하는 화합물 그 자체만을 의미하는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 있어서, 전극 활물질(10b)은, 양극 활물질로서 작용하는 화합물 또는 음극 활물질로서 작용하는 화합물 외에 바인더 및/또는 증점제 등의 첨가제를 더 포함할 수도 있다. 또한, 본 발명에 있어서 전극 활물질(10b)은, 상술한 바와 같은 물질들을 분산시키기 위한 용매를 포함하는 슬러리 상태의 전극 활물질을 일컫는 것일 수도 있다. 즉, 본 발명에 있어서 슬러리는, 건조 이전 상태의 전극 활물질(10b)을 의미하는 것이다.
도 2는 전극 집전체(10a) 상에 전극 활물질(10b)이 도포된 상태를 나타낸 도면이다. 건조 되기 이전의 전극 활물질(10b)은, 용매를 포함하는 슬러리 형태를 갖는다. 도 2를 참조하면, 전극 활물질(10b)이 포함된 슬러리가 전극 집전체(10a) 상에 도포되어 있다. 도 2에서는 도포된 슬러리의 도포 경계 영역(B)에 위치한 슬러리의 일 단부가 전극 집전체(10a)와 대략 수직한 형태를 갖는다. 다만, 도 2와는 달리, 슬러리가 갖는 유동성으로 인해 도포 경계 영역(B)에 위치한 슬러리의 일 단부에서 어느 정도의 슬라이딩 현상이 발생할 수 있다. 즉, 도포 경계 영역(B)의 외의 영역보다, 도포 경계 영역(B)에서 슬러리가 더 적게 도포될 수 있다. 따라서, 전극(10) 건조 전의 상태에서도 슬라이딩 영역은 형성될 수 있다.
다만, 슬러리가 도포된 전극(10)을 전체적으로 건조하면, 슬러리에 함유된 용매가 일부 증발하면서 슬러리 부피가 감소하는데, 이 때, 슬러리가 도포된 영역과 도포되지 않은 영역의 경계 부근에서 슬라이딩 현상이 더 심화될 가능성이 있다. 즉, 슬라이딩 현상은, 전극 활물질(10b)과 전극 집전체(10a)의 결합 계면에 가까운 영역에서의 횡방향 수축량보다 상기 결합 계면에서 먼 영역에서의 횡방향 수축량이 더 크기 때문에 전극(10) 건조 시 더 심화될 수 있다. 이러한 심화된 슬라이딩 현상에 의해 형성된 슬라이딩 영역(S)에서는, 양/음극의 NP Ratio가 100% 이하로 역전되어, 리튬 금속이 석출되는 문제가 발생할 수 있다.
NP Ratio란, 음극 활물질과 양극 활물질의 단위면적당 용량의 비율을 의미한다. 일반적으로 리튬 이온 이차 전지를 제조할 때에는 음극 활물질의 용량을 양극 활물질의 용량보다 크게 설정한다. 따라서, 일반적인 경우 NP Ratio는 100%보다 크다. 만약, 슬라이딩 현상에 의해 양/음극의 NP Ratio가 100% 이하로 감소되면, 석출된 리튬 금속은 침상으로 성장하여 전지의 단락을 발생시킬 수 있다. 또한, 금속 리튬의 석출로 인해 리튬 이온의 양이 감소하여 전지 효율 감소 및 용량 감소가 나타날 수 있다. 따라서, 전극(10) 제조 시 슬라이딩 영역(S)의 발생을 억제함으로써, NP Ratio를 일정 수준 이상으로 유지할 필요가 있다.
본 발명에 의하면 슬라이딩 영역(S)의 발생을 억제함으로써, NP Ratio를 일정 수준으로 유지할 수 있다. 특히, NP Ratio의 감소를 방지하고, 음극 활물질이 차지하는 공간을 최소화 하여 에너지 밀도를 향상시키기 위해서는 음극 전극(10)의 슬라이딩 영역(S) 발생을 억제할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예를 따르는 건조 장치(100)에 의해 건조된 전극(10)을 나타내는 도 3을 참조하면, 도포 경계 영역(B)에서의 슬러리의 부피 감소가 거의 발생하지 않음을 알 수 있다. 즉, 도포 경계 영역(B)에서의 슬러리의 횡방향 수축이 제어된다. 따라서, 본 발명의 건조 장치(100)에 의해 건조된 전극(10)에서, 슬라이딩 영역(S)은 매우 좁은 영역에서만 나타난다.
반면, 종래의 건조 방식으로 건조된 전극(10)을 나타내는 도 4를 참조하면, 도포 경계 영역(B)에서 슬러리의 부피가 크게 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 종래의 건조 방법으로 건조된 전극(10)에서는, 슬라이딩 영역(S)이 비교적 넓은 범위에서 나타나고 있다. 도 4와 같이 넓은 범위에서 슬라이딩 영역(S)이 발생하면, 양/음극의 NP Ratio가 100% 이하로 감소되어 리튬 금속이 석출될 수 있다. 금속 리튬이 석출되면 전지 내부에서 단락이 발생할 가능성이 있다. 또한, 금속 리튬의 석출로 인해 리튬 이온의 양이 감소하여 전지 효율 감소 및 용량 감소가 나타날 수 있다.
반면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 건조 장치(100)에 의해 건조된 전극(10)에서는, 슬라이딩 영역(S)이 매우 좁은 영역에서만 나타나기 때문에, NP Ratio를 100%보다 크게 설정할 수 있다. 따라서 전지의 내부 안정성을 증대시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예를 따르는 건조 장치(100)에 의해 건조된 전극(10)에서는 슬라이딩 영역(S)이 거의 생기지 않기 때문에, 전지 내부의 데드 스페이스(dead space)를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 이차 전지의 에너지 밀도를 극대화할 수 있다.
도 5는 도 3 및 도 4의 건조된 전극 활물질의 두께를 비교하기 위한 그래프를 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예이고, 도 4는 본 발명에 대한 비교예이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 건조 장치(100)에 의해 건조된 전극(10)에서는, 슬러리 두께가 건조 전의 슬러리 두께와 거의 비슷하고, 극히 일 부분에서만 그 두께가 감소하는 형태를 보였다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 도포 경계 영역(B)에서의 횡방향 수축이 거의 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
반면, 종래의 건조 방법에 따라 건조된 전극(10)에서는, 슬러리 두께가 건조 전의 슬러리 두께에 비해 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 비교예에서는 슬러리가 종방향으로 수축하여 슬러리 도포 두께가 급격하게 감소되었다. 또한, 비교예에서는 슬러리가 횡방향으로도 과도하게 수축하여 넓은 면적의 슬라이딩 영역(S)이 형성되었다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 통상의 기술자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[도면참조부호의 설명]
1 전극 제조 시스템
10 전극
10a 전극 집전체
10b 전극 활물질
S 슬라이딩 영역
B 도포 경계 영역
F 이송 방향
100 건조 장치
110 제 1 건조 유닛
120 제 2 건조 유닛
130 경계 감지 센서
140 이송 유닛
150 제어 유닛

Claims (26)

  1. 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하도록 구성되는 제 1 건조 유닛; 및
    상기 전극 집전체 상에 도포된 전극 활물질을 전체적으로 건조하도록 구성되는 제 2 건조 유닛;
    을 포함하는, 건조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 건조 유닛은,
    상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 건조 유닛은,
    상기 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질 및 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 모두 건조하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 장치는,
    상기 제 1 건조 유닛에 의한 건조가 상기 제 2 건조 유닛에 의한 건조보다 선행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 건조 유닛은,
    상기 제 2 건조 유닛보다, 상기 전극 집전체의 이송 방향의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 장치는,
    상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 상기 전극 집전체를 이송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 건조 유닛과 상기 제 2 건조 유닛은,
    상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 서로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 장치는,
    상기 도포 경계 영역을 감지하는 경계 감지 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 건조 장치는,
    상기 경계 감지 센서의 센싱 결과를 참조하여 상기 제 1 건조 유닛이 상기 도포 경계 영역 상으로 이동하도록 그 움직임을 제어하는 제어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 장치는,
    상기 전극 활물질이 도포된 전극 집전체를 일 방향으로 이송하는 이송 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 집전체는, 음극 집전체이고,
    상기 전극 활물질은 음극 활물질인 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 건조 유닛 및 제 2 건조 유닛 중 적어도 어느 하나는,
    상온보다 높은 온도의 공기를 공급하는 열풍기인 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 건조 유닛 및 제 2 건조 유닛 중 적어도 어느 하나는,
    IR 히터(InfraRed Heater)인 것을 특징으로 하는 건조 장치.
  14. 전극 제조 시스템으로서,
    전극 집전체의 적어도 일 면 상에 전극 활물질을 도포하는 코팅 장치; 및
    상기 코팅 장치에서 도포된 전극 활물질을 건조하는 제 1 항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 건조 장치; 를 포함하는 전극 제조 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전극 제조 시스템은,
    건조가 완료된 전극 활물질을 압연하는 압연 장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 시스템.
  16. (S1) 전극 집전체를 마련하는 단계;
    (S2) 전극 활물질을 상기 전극 집전체의 적어도 일 부분에 도포하는 단계;
    (S3) 상기 전극 집전체 상에 상기 전극 활물질이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하는 단계; 및
    (S4) 상기 전극 집전체 상에 도포된 전극 활물질을 전체적으로 건조하는 단계;
    를 포함하는, 전극 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 (S4) 단계는,
    상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 건조하는 단계인 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 (S4) 단계는,
    상기 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질 및 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질을 모두 건조하는 단계인 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극 집전체의 이송 방향을 따라 임의의 지점에 위치한 전극 활물질 영역을 건조함에 있어서, 상기 (S4) 단계에 따른 건조에 앞서 상기 (S3) 단계에 따른 건조가 선행되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극 제조 방법은,
    상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 상기 전극 집전체를 이송하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 (S3) 단계에 따른 건조 및 상기 (S4) 단계에 따른 건조는,
    상기 경계선이 연장되는 방향을 따라 서로 이격된 위치에서 각각 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극 제조 방법은,
    (S5) 건조가 완료된 전극 활물질을 압연하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  23. 전극 집전체 및 상기 전극 집전체 상에 도포된 전극 활물질을 포함하는 전극으로서,
    상기 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포된 부분과 도포되지 않은 부분의 경계선을 포함하는 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질 부분에 대한 건조가 1차적으로 이루어지고,
    상기 전극 집전체 상에 도포된 전극 활물질의 전체적인 건조가 2차적으로 이루어진 전극.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 2차적인 건조에 의해 건조되는 영역은,
    상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질의 일부분인 것을 특징으로 하는 전극.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 2차적인 건조에 의해 건조되는 영역은,
    상기 도포 경계 영역에 위치한 전극 활물질 부분 및 상기 도포 경계 영역 외의 영역에 위치한 전극 활물질 부분을 포함하는 전체 영역인 것을 특징으로 하는 전극.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 전극은,
    음극인 것을 특징으로 하는 전극.
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