WO2023085654A1 - 무지부의 열 주름을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치 - Google Patents

무지부의 열 주름을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치 Download PDF

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WO2023085654A1
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electrode
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문재원
권중근
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electrode sheet drying apparatus capable of preventing thermal wrinkles in the uncoated region, and more particularly, to prevent thermal wrinkling occurring in the uncoated region during electrode sheet drying by separating a guide roll from the uncoated region by a predetermined distance,
  • an electrode sheet drying device capable of preventing thermal wrinkles in the uncoated area provided with a means for selectively cooling the uncoated area.
  • secondary batteries are an alternative energy source for fossil fuels that cause air pollutants, and are used in electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (P-HEVs) and energy storage devices (ESSs). etc. are applied.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEVs plug-in hybrid electric vehicles
  • ESSs energy storage devices
  • Types of secondary batteries that are currently widely used include lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydride batteries, nickel zinc batteries, and the like.
  • Such a secondary battery is generally formed by accommodating an electrode assembly and an electrolyte solution in a battery case.
  • the electrode assembly is a jelly-roll-type assembly consisting of a structure in which a separator is interposed between a long sheet-shaped positive electrode and a negative electrode and then wound, or a stacked assembly having a structure in which rectangular positive and negative electrodes are stacked with a separator interposed therebetween , It is common to consist of a stack-folding assembly in which unit cells are wound by a long separation film, or a lamination-stack assembly in which battery cells are stacked and attached to each other with a separator interposed therebetween.
  • the electrolyte may be replaced with a solid electrolyte or a gel-type semi-solid electrolyte having an intermediate form between a liquid and a solid by adding an additive to the solid electrolyte.
  • the electrode assembly as described above is accommodated in a battery case, and depending on the type of battery case, a cylindrical battery and a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or prismatic metal can, and an electrode assembly is embedded in a pouch-type case of aluminum laminate sheet It can be classified as a pouch type battery.
  • a slurry prepared by dispersing an active material, a conductive material, a binder, etc. in a solvent is applied on an electrode current collector and dried.
  • FIG. 1 is a front view schematically showing the structure of a conventional electrode drying apparatus
  • FIG. 2 is a non-coated state before (a) and after (b) inserting an electrode sheet into a chamber using the conventional electrode drying apparatus. It is a drawing
  • the conventional electrode drying apparatus includes an empty chamber 11, a heating means 12, and a guide roll 13, and dries the electrode sheet 20 while passing through it.
  • the electrode sheet 20 can be dried evenly, but since the electrode sheet 20 is heated over the entire surface, as shown in FIG. Thermal wrinkles are generated in the exposed portion of the electrode current collector.
  • thermal wrinkles occur when an electrode sheet enters a chamber maintained at a relatively high temperature, the rigidity of an electrode current collector using a metal foil is lowered.
  • the temperature of the uncoated area without the active material is relatively higher than the area to which the active material is applied, and as a result, wrinkles are intensively generated in the uncoated area.
  • Patent Document 1 as a method for suppressing the occurrence of such thermal wrinkles, an air conditioner for cooling the external air near the outlet from which the electrode sheet of the chamber is discharged and a cold air discharge nozzle for discharging the cooled air to the uncoated area are provided.
  • An electrode drying device is disclosed.
  • Patent Document 1 since the device of Patent Document 1 supplies cold air to the uncoated area where thermal wrinkles have already occurred in a high-temperature chamber, it has the advantage of being able to cool more quickly than in the case of natural cooling outside the chamber, but thermal wrinkles occur There is a problem in that it cannot be fundamentally suppressed from doing so.
  • Patent Document 1 Korea Patent Registration No. 1810146
  • an object of the present invention is to provide an electrode sheet drying apparatus capable of preventing thermal wrinkles occurring in uncoated areas when drying electrode sheets.
  • Electrode sheet drying apparatus for achieving the above object is a pair of coating parts (Sc) coated with an electrode active material on one surface of a metal foil, and between the pair of coating parts (Sc)
  • An apparatus for drying an electrode sheet (S) located on a surface and including an uncoated portion (Sn) on which an electrode active material is not applied comprising: a chamber (100) having a rectangular structure, which is a space in which the electrode sheet (S) is dried; a heating unit 200 provided above the chamber 100 to adjust the temperature within the chamber 100 to a temperature for drying the electrode sheet S; and one or more guide rolls 300 that guide the movement of the electrode sheet S in the chamber 100 and maintain tension of the electrode sheet S. Some are characterized in that they move in a state spaced apart from the guide roll 300 by a predetermined distance.
  • the guide roll 300 has a cylindrical shape and is provided with a first concave portion 310 having a predetermined depth and width along the circumferential surface.
  • the first concave portion 310 is characterized in that it is located in the center of the guide roll 300 in the longitudinal direction.
  • the non-coated portion (Sn) is located in a spaced apart state above the first concave portion 310.
  • the interface between the coating part (Sc) and the uncoated part (Sn) and the uncoated part (Sn) are located above the first concave part (310).
  • a second concave portion 320 having a predetermined depth and width is further provided in the first concave portion 310.
  • a cooling pipe 330 disposed in a direction orthogonal to the central axis of the guide roll 300 is positioned in the second concave portion 320 .
  • the uncoated portion (Sn) is characterized in that it is located in a state of being spaced apart from the cooling pipe (330).
  • both ends of the cooling pipe 330 are located outside the chamber 100.
  • the heating means 200 is characterized in that any one of an infrared lamp, a heat coil, or a hot air blower.
  • the electrode sheet drying apparatus capable of preventing thermal wrinkles in the uncoated region of the present invention, since the guide roll is provided with a concave portion and is spaced apart from the uncoated region of the electrode sheet by a predetermined distance, the occurrence of thermal wrinkles in the uncoated region can be reduced. There are advantages.
  • the electrode sheet drying apparatus capable of preventing thermal wrinkles in the uncoated region of the present invention, since a cooling means is provided below the uncoated region, generation of thermal wrinkles in the uncoated region can be minimized during the drying process.
  • FIG. 1 is a front view schematically showing the structure of a conventional electrode sheet drying apparatus.
  • FIG. 2 is a view showing the uncoated state before (a) and after (b) putting an electrode sheet into a chamber using a conventional electrode sheet drying apparatus.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the structure of an electrode sheet drying apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view schematically showing the structure of an electrode sheet drying apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line BB′ of FIG. 3, and is a view for explaining the structure of the guide roll.
  • 6 is a modified example of a guide roll.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a cross section taken along line A-A' of FIG. 3;
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the structure of an electrode drying apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a front view schematically showing the structure of an electrode drying apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is FIG. 3 A cross-sectional view taken along line B-B' of , which is a view for explaining the structure of the guide roll.
  • the electrode sheet drying apparatus 1000 is a device for continuously drying long sheet-shaped electrodes, that is, electrode sheets S. It includes a furnace, a chamber 100, a heating means 200, a guide roll 300 and a cooling means 400.
  • the electrode sheet S to be dried is composed of a coated portion Sc coated with an electrode active material on one surface of a metal foil and a non-coated portion Sn uncoated with the electrode active material.
  • the coating parts Sc may be a pair spaced apart by a predetermined distance, and in this case, the uncoated part Sn is located between the pair of coating parts Sc.
  • the coating portion Sc is formed on only one side of the metal foil, it is obvious that it can be provided on both sides.
  • the electrode active material can be divided into a positive electrode active material and a negative electrode active material, and a slurry is prepared by adding a conductive material and a binder to these active materials, and then applied to the surface of the metal foil.
  • 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 cathode active material.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include 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; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • 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
  • the binder is a component that assists in the binding of the active material and the conductive material and the binding to the current collector, and is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butyrene rubber, fluororubber, various copolymers, and the like.
  • examples of the negative electrode active material include carbon such as non-graphitizable carbon and graphite-based carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' : Metal composite oxides such as Al, B, P, Si, elements of groups 1, 2, and 3 of the periodic table, halogens, 0 ⁇ x ⁇ 1;1 ⁇ y ⁇ 3;1 ⁇ z ⁇ 8); lithium metal; lithium alloy; silicon-based alloys; tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , metal oxides such as Bi 2 O 5 ; conductive polymers such as polyacetylene;
  • the negative electrode active material may be prepared by selectively further including the above-described conductive material, binder, and the like.
  • the chamber 100 is for accommodating the electrode sheet S composed of the coated portion Sc coated with the electrode active material and the uncoated portion Sn not coated with the electrode active material and drying the coated portion Sc. It may be a rectangular structure.
  • a part of the front and rear surfaces is open so that the supply and discharge of the electrode sheet S can be continuously performed while the inside is empty, and the remaining surfaces, that is, the lower surface, the upper surface, and a pair of side surfaces are sealed.
  • the heating means 200 is a component for maintaining the temperature inside the aforementioned chamber 100 within a predetermined range. Specifically, the temperature inside the chamber 100 is maintained within a predetermined range so that the coated portion Sc of the electrode sheet S can be dried. , it is obvious that it can be additionally provided on the side.
  • the heating means 200 for performing the above function heats the inside of the chamber 100 or the electrode sheet S, such as heat, hot air, or a light source, and various known known A heat source may be used.
  • heat hot air
  • a light source such as a heat source, hot air, or a light source
  • a heat source may be used.
  • any one or a mixture of two or more of an infrared lamp, a heat coil, or a hot air balloon may be used.
  • the guide roll 300 is located inside the chamber 100 including near the inlet and outlet of the chamber 100 to guide the movement of the electrode sheet S, and the electrode sheet dried in the chamber 100. (S) to maintain constant tension without sagging.
  • the guide roll 300 supports the entire electrode sheet S to have a constant tension without distinguishing between the coated portion Sc and the uncoated portion Sn of the electrode sheet S. Accordingly, in the chamber 100 where the temperature is raised to a predetermined temperature, the non-coated portion Sn on which the active material of the electrode sheet S is not applied is relatively elongated, resulting in wrinkles.
  • the guide roll 300 located inside the chamber 100 of the present invention has a cylindrical shape and is provided with a first concave portion 310 having a predetermined depth and width along the circumferential surface, so that wrinkles in the uncoated portion Sn This occurrence can be minimized.
  • the interior of the chamber 100 is maintained at approximately 100 to 200 ° C so that the coating part Sc can be dried
  • the guide roll 300 is made of metal or ceramic material, which is a heat-resistant material, so that high heat is in the state of having Therefore, when the uncoated portion (Sn) to which the active material is not applied is in close contact with the guide roll 300, it is relatively easier to stretch than the coated portion (Sc), resulting in wrinkles.
  • the coating portion Sc is transported in close contact with the uncoated portion Sn, which is prone to wrinkles. ) is a spaced state. As a result, it is possible to reduce the transfer of hot heat from the guide roll 300 to the non-coated area Sn, thereby reducing the occurrence of wrinkles in the non-coated area Sn.
  • all regions of the uncoated portion Sn are located above the first concave portion 310 so that they do not come into close contact with the guide roll 300, but the extent of the boundary between the coating portion Sc and the uncoated portion Sn may be located above the uncoated portion Sn.
  • the depth of the first concave portion 310 is not particularly limited, but it is preferable that the uncoated portion Sn does not come into contact with it.
  • the first groove 310 may be further provided with a second groove 320 having a predetermined depth and width.
  • a cooling pipe 330 disposed in a direction orthogonal to the central axis of the guide roll 300 is positioned at 320 .
  • non-coated portion Sn is located on the vertical surface of the first concave portion 310 of the guide roll 300 and does not directly contact it, wrinkles may occur because the inside of the chamber 100 is in a relatively high temperature state.
  • the low-temperature refrigerant circulates in the second concave portion 320 through the cooling tube 330, it is possible to suppress the temperature of the uncoated portion Sn from rising.
  • the cooling pipe 330 and the uncoated portion Sn are slightly spaced apart, and the cooling pipe 330 extends along the second concave portion 320 of each guide roll 300, and both ends are It is connected to a refrigerant circulation supply device (not shown) located outside the chamber 100 .
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the line A-A' of FIG. 3; It will be described with reference to FIGS. 3 and 4 .
  • the electrode sheet drying apparatus 1000 of the present invention further includes a cooling means 400 capable of minimizing elongation by surely lowering the temperature of the uncoated region Sn.
  • the cooling means 400 may be provided near the bottom of the electrode drying device 1000 so as to face the back side of the electrode sheet S on which the coating portion Sc is not formed, and the uncoated portion Sn supply cold air towards
  • the cooling unit 400 may employ various well-known cooling units, and may be manufactured in a desired shape using a device for cooling air, a nozzle for injecting cooled air to a desired location, and the like.
  • the cooling means 400 is discharged from the vicinity of the internal entrance of the chamber 100 to the vicinity of the exit of the chamber 100, that is, from the time the electrode sheet S enters the chamber 100 to the outside of the chamber 100. It may be provided so that it can be cooled by continuously supplying cold air to the uncoated part until the point of time.
  • cooling unit 400 is a nozzle that sprays cold air
  • a height adjusting unit capable of adjusting the height of the nozzle may be provided, and a separate cooling air control unit is provided to adjust the temperature and amount of the sprayed air. It may be provided additionally.
  • thermometer for measuring the temperature of the uncoated portion Sn, for example, a non-contact infrared thermometer.
  • the binder included in the active material is a component that assists in the binding of the active material and the conductive material and the metal foil, as described above.
  • the cooling means 400 By applying cold air to the non-coated portion Sn using the , the temperature of not only the non-coated portion Sn but also the entire metal foil can be lowered compared to the existing device not provided with the cooling means 400, thereby suppressing such a movement phenomenon. There are also advantages to doing it.
  • the electrode drying apparatus 1000 includes a humidity control unit for controlling the humidity in the chamber 100, a temperature sensor for measuring the temperature in the chamber 100, and a control unit for controlling the heating unit 200. may be further provided.
  • the drying method according to the present invention includes the steps of a) putting the electrode sheet S into the chamber 100 to heat and dry it, and b) cooling the uncoated portion Sn of the electrode sheet S. .
  • step b) maintains the temperature of the uncoated region Sn below a certain temperature by continuously supplying cool air to the uncoated region Sn from the lower part of the electrode sheet S from the start to the end of the drying of the electrode sheet S. It is a step to
  • steps a) and steps b) may be performed simultaneously.
  • the meaning of simultaneously progressing means that the supply of cool air to the uncoated portion Sn is started at almost the same time that the electrode sheet S enters the chamber 100 .
  • a battery cell may be manufactured including an electrode manufactured by the above drying method, and a battery module or a battery pack may be manufactured using the battery cell.
  • Such a battery module or battery pack may be used as a power supply source for various devices.

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Abstract

본 발명은 무지부의 열 주름을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치에 관한 것으로, 금속 포일 일면에 전극 활물질이 도포된 한 쌍의 코팅부, 및 상기 한 쌍의 코팅부 사이에 위치하며 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 전극 시트를 건조하는 장치로서, 상기 전극 시트가 건조되는 공간인 장방형 구조의 챔버; 상기 챔버 상부에 구비되어 상기 전극 시트를 건조하기 위한 온도로 상기 챔버 내의 온도를 조절하는 가열 수단; 및 상기 챔버 내부에서 상기 전극 시트의 이동을 안내하고, 상기 전극 시트의 장력을 유지하는 하나 이상의 가이드 롤;을 포함하되, 상기 전극 시트의 일부는 상기 가이드 롤과 소정 거리 이격된 상태로 이동하는 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치에 관한 것이다.

Description

무지부의 열 주름을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치
본 출원은 2021년 11월 10일자 한국 특허출원 제2021-0153675호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 무지부의 열 주름을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 시트 건조 시 무지부에서 발생하는 열 주름 현상을 방지할 수 있도록 가이드 롤과 무지부를 소정 거리 이격시키고, 또 무지부를 선택적으로 냉각할 수 있는 수단이 구비된 무지부의 열 주름을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치에 관한 것이다.
스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다.
이와 같은 이차전지는 전극조립체와 전해액 등이 전지 케이스 내에 수용되어 형성되는 것이 일반적이다.
여기서, 전극조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 전지 셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어지는 것이 일반적이다.
또한, 전해질은 일반적으로 통용되는 액체전해질 외에도, 고체전해질이나, 고체전해질에 첨가제를 부가하여 액체와 고체 중간형태를 띄는 겔 형태의 준고체 전해질로 치환되기도 한다.
상기와 같은 전극조립체는 전지 케이스에 수납되며, 전지 케이스의 종류에 따라 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류할 수 있다.
한편, 이러한 이차전지의 전극을 제조하는 방법으로는, 활물질, 도전재 및 바인더 등을 용매에 분산시켜 제조한 슬러리를 전극 집전체 상에 도포하고, 건조하는 등의 과정을 거치게 된다.
이때 전극을 건조하는 방법으로는 시트형의 전극을 롤에 권취된 상태로 건조 장치에 투입하여 건조시키는 방법도 있으나, 이 경우 중첩된 상태에서 건조 과정을 거치게 되므로, 내부와 외부의 건조 정도에 차이가 나는 문제가 있다.
도 1은 종래의 전극 건조 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 정면도이고, 도 2는 종래의 전극 건조 장치를 사용하여 전극 시트를 챔버에 투입하기 전(a)과 후(b)의 무지부 상태를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 전극 건조 장치는 내부가 비어 있는 챔버(11), 가열 수단(12) 및 가이드 롤(13)을 포함하여, 전극 시트(20)를 통과시키면서 건조하게 된다.
이와 같은 장치에 의하면 전극 시트(20)를 고르게 건조할 수 있는 장점이 있으나, 전극 시트(20) 전체에 걸쳐서 가열되므로, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 무지부, 즉 활물질이 도포되지 않고 전극 집전체가 노출된 부분에는 열 주름이 발생하게 된다.
이와 같은 열 주름이 발생하는 이유로는, 비교적 높은 온도로 유지되는 챔버 내로 전극 시트가 진입하면 금속 포일(foil)을 사용하는 전극 집전체의 강성(Rigidity)이 저하된다. 특히 활물질이 도포된 영역보다 활물질이 없는 무지부의 온도가 상대적으로 높아지게 되고, 결과적으로 무지부에서 주름이 집중적으로 발생하는 것이다.
한편, 이러한 열 주름의 발생을 억제하기 위한 방법으로 특허문헌 1에서는 챔버의 전극 시트가 배출되는 출구 부근 외부의 공기를 냉각시키는 에어 컨디셔너 및 냉각된 공기를 무지부에 토출하는 냉기 토출 노즐을 구비한 전극 건조 장치가 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 1의 장치는 고온의 챔버 내에서 이미 열 주름이 발생한 무지부에 냉기를 공급하고 있으므로, 챔버 외부에서 자연 냉각하는 경우보다 좀 더 빨리 냉각할 수 있다는 이점은 있으나, 열 주름이 발생하는 것을 원천적으로 억제할 수 없다는 문제가 있다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 한국등록특허공보 제1810146호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전극 시트 건조 시 무지부에서 발생하는 열 주름 현상을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치는, 금속 포일(foil) 일면에 전극 활물질이 도포된 한 쌍의 코팅부(Sc), 및 상기 한 쌍의 코팅부(Sc) 사이에 위치하며 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(Sn)를 포함하는 전극 시트(S)를 건조하는 장치로서, 상기 전극 시트(S)가 건조되는 공간인 장방형 구조의 챔버(100); 상기 챔버(100) 상부에 구비되어 상기 전극 시트(S)를 건조하기 위한 온도로 상기 챔버(100) 내의 온도를 조절하는 가열 수단(200); 및 상기 챔버(100) 내부에서 상기 전극 시트(S)의 이동을 안내하고, 상기 전극 시트(S)의 장력을 유지하는 하나 이상의 가이드 롤(300);을 포함하되, 상기 전극 시트(S)의 일부는 상기 가이드 롤(300)과 소정 거리 이격된 상태로 이동하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 가이드 롤(300)은 원기둥 형상으로, 둘레면을 따라 소정 깊이와 폭을 갖는 제1 요홈부(310)가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 제1 요홈부(310)는 가이드 롤(300)의 길이 방향을 기준으로 중앙에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 제1 요홈부(310) 상부에는 무지부(Sn)가 이격된 상태로 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 제1 요홈부(310) 상부에는 코팅부(Sc)와 무지부(Sn)의 경계면, 및 무지부(Sn)가 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 제1 요홈부(310)에는 소정 깊이와 폭을 제2 요홈부(320)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 제2 요홈부(320)에는 상기 가이드 롤(300)의 중심축과 직교하는 방향으로 배치된 냉각관(330)이 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 무지부(Sn)는 상기 냉각관(330)과 이격된 상태로 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 냉각관(330)의 양측 단부는 상기 챔버(100) 외부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에서, 상기 가열 수단(200)은 적외선 램프, 열코일 또는 열풍기 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 무지부의 열 주름을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치에 의하면, 가이드 롤에 요홈부가 구비되어 있어 전극 시트의 무지부와 소정 간격 이격된 상태이므로 무지부의 열 주름이 발생하는 것을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명의 무지부의 열 주름을 방지할 수 있는 전극 시트 건조 장치에 의하면, 무지부 하방에 냉각수단이 구비되어 있어 건조 과정 시 무지부의 열 주름 발생을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 전극 시트 건조 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 2는 종래의 전극 시트 건조 장치를 사용하여 전극 시트를 챔버에 투입하기 전(a)과 후(b)의 무지부 상태를 나타내는 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 시트 건조 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 시트 건조 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 5은 도 3의 B-B' 선을 따라 절단한 단면도로서, 가이드 롤의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 가이드 롤의 변형예이다.
도 7는 도 3의 A-A' 단면을 나타낸 단면도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우만이 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 전극 시트 건조 장치에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 건조 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 건조 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 정면도 그리고 도 5는 도 3의 B-B' 선을 따라 절단한 단면도로서, 가이드 롤의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 전극 시트 건조 장치(1000)에 관해 설명하면, 전극 시트 건조 장치(1000)는 긴 시트 형태의 전극 즉, 전극 시트(S)를 연속적으로 건조하기 위한 장치로, 챔버(100), 가열 수단(200), 가이드 롤(300) 및 냉각 수단(400)을 포함한다.
먼저, 건조될 전극 시트(S)는 금속 포일(foil) 일면에 전극 활물질이 도포된 코팅부(Sc)와 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(Sn)로 구성된다.
여기서, 코팅부(Sc)는 소정 거리 이격된 한 쌍일 수 있고, 이때 무지부(Sn)는 이들 한 쌍의 코팅부(Sc) 사이에 위치한다. 비록 도면에서는 금속 포일(foil) 일면에만 코팅부(Sc)가 형성된 것으로 도시하고 있으나 양면에 구비될 수 있음은 자명하다.
한편 전극 활물질은 양극 활물질과 음극 활물질로 나눌 수 있고, 이러한 활물질에 도전재 및 바인더 등을 첨가하여 슬러리를 제조 후 금속 포일 표면에 도포 하게 된다.
양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다.
이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
또 음극 활물질로는 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; Si, SiO, SiO2 단독 또는 이들의 혼합물인 Si계 등을 사용할 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
또한 음극활물질에도 전술한 도전재, 바인더 등이 선택적으로 더 포함하여 제조될 수 있다.
챔버(100)는 상기와 같은 전극 활물질이 도포된 코팅부(Sc)와 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(Sn)로 구성된 전극 시트(S)를 수납하여 코팅부(Sc)를 건조하기 위한 것으로 장방형 구조일 수 있다.
구체적으로 내부가 비어 있으면서 전극 시트(S)의 공급과 배출이 연속적으로 가능하도록 전면과 후면의 일부는 개방된 상태이고, 나머지 면들 즉, 하면, 상면 및 한 쌍의 측면은 밀폐되어 있다.
따라서 내부의 온도를 소정 범위로 유지하는 것이 가능하고, 외부로부터의 이물질 등이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
가열 수단(200)은 전술한 챔버(100) 내부의 온도를 소정 범위로 유지하기 위한 구성이다. 구체적으로, 전극 시트(S)의 코팅부(Sc)가 건조될 수 있도록, 챔버(100) 내부의 온도를 소정 범위로 유지하며, 비록 도면에서는 챔버(100) 내부 상부에 구비되는 것으로 도시하고 있으나, 측면에도 추가적으로 마련될 수 있음은 자명하다.
상기와 같은 기능을 수행하기 위한 가열 수단(200)으로는 열, 열풍 또는 광원 등 챔버(100) 내부 또는 전극 시트(S)를 가열하고, 가열된 온도를 일정하게 유지할 수 있는 범위에서 공지의 다양한 열원이 사용될 수 있다. 예를 들면, 적외선 램프, 열코일 또는 열풍기 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
다음으로, 가이드 롤(300)은 챔버(100)의 입구와 출구 근처를 포함하여 챔버(100) 내부에 위치하여 전극 시트(S)의 이동을 안내하며, 챔버(100) 내에서 건조되는 전극 시트(S)가 처짐없이 일정한 장력을 유지할 수 있도록 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 가이드 롤(300)은 전극 시트(S)의 코팅부(Sc) 및 무지부(Sn)를 구분하지 않고 전극 시트(S) 전체가 일정한 장력을 가지도록 지지한다. 따라서 소정 온도로 상승된 챔버(100) 내에서 전극 시트(S)의 활물질이 도포되지 않은 무지부(Sn)는 연신이 상대적으로 많이 일어나 주름이 발생한다.
하지만 본 발명의 챔버(100) 내부에 위치하는 가이드 롤(300)은 원기둥 형상으로, 둘레면을 따라 소정 깊이와 폭을 갖는 제1 요홈부(310)가 구비되어 있어 무지부(Sn)에서 주름이 발생하는 최소화할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 코팅부(Sc)가 건조될 수 있도록 챔버(100) 내부는 대략 100~200℃ 범위로 유지되고, 또 가이드 롤(300)은 내열성 소재인 금속이나 세라믹 재질로 이루어져 있어 높은 열기를 갖고 있는 상태이다. 따라서 활물질이 도포되지 않은 무지부(Sn)가 가이드 롤(300)과 밀착하면 코팅부(Sc) 보다 상대적으로 연신되기 쉬어 주름이 발생하게 된다.
하지만 본 발명에서는 가이드 롤(300)의 길이 방향을 기준으로 제1 요홈부(310)가 중앙에 위치하고 있어, 코팅부(Sc)는 밀착한 상태로 이송되는 반면 주름이 발생하기 쉬운 무지부(Sn)는 이격된 상태이다. 결과적으로 가이드 롤(300)의 뜨거운 열기가 무지부(Sn)로 전달되는 것을 줄일 수 있기 때문에 무지부(Sn)에서의 주름 발생을 줄일 수 있게 되는 것이다.
여기서, 무지부(Sn)의 모든 영역이 제1 요홈부(310) 상부에 위치함으로써 가이드 롤(300)과 밀착하지 않은 것이 가장 바람직하지만, 코팅부(Sc)와 무지부(Sn)의 경계면 정도는 무지부(Sn) 상부에 위치할 수 있다.
또 제1 요홈부(310)의 깊이는 특별히 제한하지 않지만 무지부(Sn)가 접촉하기 않을 정도인 것이 바람직하다.
도 6은 가이드 롤의 변형예이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 가이드 롤(300)의 변형예에서는 제1 요홈부(310)에는 소정 깊이와 폭을 제2 요홈부(320)가 추가로 구비될 수 있고, 이때 제2 요홈부(320)에는 가이드 롤(300)의 중심축과 직교하는 방향으로 배치된 냉각관(330)이 위치한다.
비록 무지부(Sn)가 가이드 롤(300)의 제1 요홈부(310) 수직 면상에 위치함으로써 직접적으로 접촉하지는 않지만 챔버(100) 내부는 비교적 고온 상태이기 때문에 주름이 발생할 가능성이 있다.
하지만 변형예에서는 제2 요홈부(320)에 저온의 냉매가 냉각관(330)을 순환하고 있기 때문에 무지부(Sn)의 온도가 올라가는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 냉각관(330)과 무지부(Sn)는 약간 이격된 상태이고, 냉각관(330)은 각 가이드 롤(300)의 제2 요홈부(320)를 따라 길게 연장되어 있으며, 양측 단부는 챔버(100) 외부에 위치하는 냉매 순환 공급 장치(미도시)에 연결되어 있다.
도 7은 도 3의 A-A' 단면을 나타낸 단면도이다. 도 3 및 4와 함께 참조하면서 설명하기로 한다.
또한 본 발명의 전극 시트 건조 장치(1000)는 무지부(Sn)의 온도를 확실하게 낮추어 연신을 최소화할 수 있는 냉각 수단(400)을 추가로 구비하고 있다.
구체적으로, 냉각 수단(400)은 코팅부(Sc)가 형성되지 않은 전극 시트(S)의 뒷면과 마주볼 수 있도록 전극 건조 장치(1000)의 바닥 부근에 마련될 수 있으며, 무지부(Sn)를 향해 냉풍을 공급한다.
이러한 냉각 수단(400)은 공지의 다양한 냉각 수단을 적용할 수도 있고, 공기를 냉각하는 장치, 냉각된 공기를 원하는 위치에 분사하는 노즐 등을 이용하여 원하는 형태로 제작하는 것도 가능하다.
또 냉각 수단(400)은 챔버(100)의 내부 입구 근처에서 챔버(100)의 출구 근처까지, 즉, 전극 시트(S)가 챔버(100) 내부로 진입하는 시점부터 챔버(100) 외부로 배출되는 시점까지 지속적으로 무지부에 냉풍을 공급하여 냉각할 수 있도록 구비될 수 있다.
또 냉각 수단(400)이 찬 공기를 분사하는 노즐일 경우, 노즐의 높이를 조절할 수 있는 높이 조절 수단이 구비될 수 있고, 분사하는 공기의 온도와 분사량을 조절할 수 있도록 별도의 냉각 공기 조절 수단이 추가적으로 구비되어도 좋다.
게다가, 무지부(Sn)의 온도를 측정하는 온도계, 예를 비접촉식 적외선 온도계를 통해 무지부(Sn)의 온도를 연속적으로 측정하면서 냉각 수단(400)을 함께 제어하는 것도 가능하다.
이와 같이, 무지부(Sn)의 온도를 소정 범위로 낮출 경우 무지부(Sn)에서 국부적으로 발생하는 연신을 줄일 수 있고 따라서 주름이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
한편, 활물질에 포함되는 바인더는 위에서 살펴본 바와 같이 활물질과 도전재 등의 결합과 금속 포일에 대한 결합에 조력하는 성분이다.
그러나, 건조 공정에서 가열되어 금속 포일의 온도가 높아지면, 바인더 중 금속 포일과의 접촉면에 분포된 바인더가 코팅부(Sc) 내부 또는 최상층부(표면)로 이동하는 이동(Migration)현상이 발생할 수 있다.
이와 같은 이동 현상이 발생하면, 포일 표면에 잔류하고 있던 바이더 양이 적어지므로, 활물질과 금속 포일 간의 계면 접착력 저하에 따른 불량(전극 탈리 현상 등)이 발생할 수도 있는데, 본 발명에서는 냉각 수단(400)을 사용하여 무지부(Sn)에 냉풍을 가함으로써, 냉각 수단(400)이 구비되지 않은 기존 장치에 비하여 무지부(Sn) 뿐 아니라 금속 포일 전체의 온도를 낮출 수 있으므로, 이와 같은 이동 현상을 억제할 수 있는 장점도 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 전극 건조 장치(1000)는 챔버(100) 내의 습도를 조절하는 습도 조절부, 챔버(100) 내의 온도를 측정하는 온도 센서, 가열 수단(200)을 제어하기 위한 제어부가 더 구비될 수 있다.
이하에서는 전술한 본 발명의 전극 건조 장치(1000)를 사용하여 전극 시트(S)를 건조하는 방법에 관하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 건조 방법은, a) 전극 시트(S)를 챔버(100)에 투입하여 가열 및 건조하는 단계, 및 b) 전극 시트(S)의 무지부(Sn)를 냉각하는 단계를 포함한다.
여기서, b) 단계는 전극 시트(S)의 하부에서 전극 시트(S)의 건조 시작부터 종료까지 지속적으로 무지부(Sn)에 냉풍을 공급하여 무지부(Sn)의 온도를 일정 온도 이하로 유지하는 단계이다.
또한, a) 단계와 b) 단계는 동시에 진행될 수도 있다. 여기서, 동시에 진행된다는 의미는 전극 시트(S)가 챔버(100) 내부로 진입하는 것과 거의 동시에 무지부(Sn)에 냉풍을 공급하기 시작한다는 것을 의미한다.
위와 같은 건조 방법을 포함하여 제조된 전극을 포함하여 배터리 셀을 제조할 수 있으며, 이러한 배터리 셀을 사용하여 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 제조할 수도 있다.
이와 같은 배터리 모듈 또는 배터리 팩은 각종 디바이스의 전력 공급원으로 사용될 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
(부호의 설명)
1000 : 전극 시트 건조 장치
100 : 챔버
200 : 가열 수단
300 : 가이드 롤
310 : 제1 요홈부
320 : 제2 요홈부
330 : 냉각관
400 : 냉각 수단
S : 전극 시트
Sc : 코팅부
Sn : 무지부

Claims (10)

  1. 금속 포일 일면에 전극 활물질이 도포된 한 쌍의 코팅부, 및 상기 한 쌍의 코팅부 사이에 위치하며 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 전극 시트를 건조하는 장치로서,
    상기 전극 시트가 건조되는 공간인 장방형 구조의 챔버;
    상기 챔버 상부에 구비되어 상기 전극 시트를 건조하기 위한 온도로 상기 챔버 내의 온도를 조절하는 가열 수단; 및
    상기 챔버 내부에서 상기 전극 시트의 이동을 안내하고, 상기 전극 시트의 장력을 유지하는 하나 이상의 가이드 롤;을 포함하되,
    상기 전극 시트의 일부는 상기 가이드 롤과 소정 거리 이격된 상태로 이동하는 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 롤은 원기둥 형상으로, 둘레면을 따라 소정 깊이와 폭을 갖는 제1 요홈부가 구비된 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 요홈부는 가이드 롤의 길이 방향을 기준으로 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 요홈부 상부에는 무지부가 이격된 상태로 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 요홈부 상부에는 코팅부와 무지부의 경계면, 및 무지부가 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 요홈부에는 소정 깊이와 폭을 제2 요홈부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 요홈부에는 상기 가이드 롤의 중심축과 직교하는 방향으로 배치된 냉각관이 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무지부는 상기 냉각관과 이격된 상태로 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 냉각관의 양측 단부는 상기 챔버 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가열 수단은 적외선 램프, 열코일 또는 열풍기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전극 시트 건조 장치.
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