WO2023195793A1 - 전극 형상 제어방법 및 전극 제조방법 - Google Patents

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WO2023195793A1
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electrode
laser
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slurry
electrode slurry
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최민혁
박준선
이택수
김만형
김국태
전신욱
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling the shape of an electrode and a method of manufacturing an electrode by fluidizing part of the electrode slurry by irradiating a laser capable of heat transfer on the surface after coating the electrode slurry.
  • secondary batteries refer to batteries that can be charged and discharged, unlike primary batteries that cannot be recharged. These secondary batteries are widely used in the field of high-tech electronic devices such as phones, laptop computers, and camcorders.
  • the above-mentioned secondary battery is classified into a can-type secondary battery and a pouch-type secondary battery, and the can-type secondary battery includes an electrode assembly, an electrolyte, a can containing the electrode assembly and the electrolyte, and a cap assembly mounted on the opening of the can. And the electrode assembly has a structure in which electrodes and separators are alternately stacked. And the electrode includes a current collector and an electrode active material coated on the current collector.
  • Figure 1 is a diagram to explain the problems of lithium secondary batteries according to the prior art.
  • the electrode composite layer 2 is formed on the electrode current collector 1 using an electrode slurry coating method.
  • the electrode composite layer 2 is coated on both surfaces (upper and lower surfaces) of the electrode current collector 1.
  • the electrode slurry at both ends of the electrode composite layer 2 flows down due to the action of external forces such as gravity/centrifugal force.
  • the area where the electrode slurry flows is also commonly referred to as the sliding area.
  • This sliding area causes capacity loss that causes the battery capacity to be lower than the target value.
  • the thickness of both ends of the electrode composite layer 2 decreases, resulting in uneven contact with the separator S, resulting in separation (see symbol a in FIG. 1), thereby deteriorating the overall quality of the secondary battery.
  • the electrode slurry flows down by gravity before drying, and both ends of the electrode mixture layer 2 protrude downward (symbol in FIG. 1 b), the protrusion is subjected to high stress during the subsequent rolling process.
  • the N/P ratio may differ from the design value, and furthermore, if the N/P ratio is reversed, a problem may occur where lithium is precipitated in the sliding area.
  • Korean Patent Publication No. 10-2017-0057953 discloses an electrode forming device that removes part of the electrode mixture layer by irradiating a laser beam on the surface of the electrode.
  • the technology disclosed in the above document can shape the shape of the electrode surface, a portion of the electrode mixture layer is removed, resulting in a capacity loss equivalent to the removed electrode mixture layer.
  • the purpose of the present invention is to provide an electrode shape control method and an electrode manufacturing method that can minimize capacity loss while controlling the shape of the electrode after electrode coating.
  • An electrode shape control method including a is provided.
  • the electrode slurry of the electrode sheet may be in a non-solidified state.
  • the laser may be an ultra-short wave near-infrared laser.
  • the forming step may include a process of irradiating a laser using a laser module, wherein the laser module includes: a laser oscillator that generates laser; and a masking member coupled below the laser oscillator and having one or more openings through which at least a portion of the laser generated from the laser oscillator passes.
  • the laser module includes: a laser oscillator that generates laser; and a masking member coupled below the laser oscillator and having one or more openings through which at least a portion of the laser generated from the laser oscillator passes.
  • the laser module may be configured to allow adjustment of the position and area of the opening.
  • the laser module may be configured to adjust the position of the opening based on the transverse direction (TD) of the electrode sheet.
  • the laser module controls one or more conditions among the vertical distance between the laser oscillator and the electrode sheet, the vertical distance between the masking member and the electrode sheet, the output of the laser, and the opening area of the opening.
  • the amount of movement of the electrode slurry can be controlled.
  • the laser module can control the direction of movement of the electrode slurry by adjusting the position of the opening.
  • the masking member is a plate-shaped member having a plurality of through holes, and is capable of sliding movement on one plane of the plate-shaped member in order to open and close at least one of the plurality of through holes. It includes an opening and closing member coupled so as to do so, and a through hole that is not shielded by the opening and closing member may form the opening.
  • the masking member includes a plurality of plate-shaped blocks arranged in a row along the transverse direction of the electrode sheet; It includes a block driving unit that allows each of the plurality of plate-shaped blocks to move horizontally along the transverse direction of the electrode sheet, and a space between adjacent plate-shaped blocks may form the opening.
  • At least one of the laser oscillator and the masking member may be configured to reciprocate along a direction perpendicular to the plane of the electrode sheet.
  • a coating step of applying an electrode slurry on a sheet-shaped current collector A forming step of irradiating a laser to at least a portion of the electrode sheet on which the electrode slurry is applied and moving the electrode slurry from the laser-irradiated area to an adjacent area to form the shape of the electrode slurry; and a drying step of drying the electrode sheet.
  • the electrode slurry of the electrode sheet may be in a non-solidified state.
  • the forming step may be performed prior to the initial drying step of the electrode sheet.
  • the forming step may be performed before the drying step of the electrode sheet.
  • the electrode shape control method and electrode manufacturing method according to the present invention can control the electrode shape without changing the coating conditions in the coating step, preventing the problem of electrode quality being deteriorated due to changes in coating conditions. there is.
  • Figure 1 is a diagram showing the shape of an electrode in which a sliding area occurs after electrode coating.
  • Figure 2 is a flowchart for explaining an electrode shape control method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram briefly showing an electrode shape control method according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 4 and 5 are diagrams for explaining the process of controlling the position at which a laser is irradiated to an electrode sheet and the amount of laser irradiation according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a side view of an electrode shape forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a top view of Figure 6.
  • Figure 8 is a graph showing the results of measuring the thickness of each electrode slurry before and after laser irradiation, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a side view of a laser module according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a diagram for explaining the operation of the masking member according to the first embodiment.
  • Figure 11 is a side view of a laser module according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a diagram for explaining the operation of the masking member according to the second embodiment.
  • Figure 13 is a flowchart for explaining an electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining a method for controlling an electrode shape according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram briefly showing a method for controlling an electrode shape according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode shape control method includes a coating step (S10) of applying an electrode slurry on a sheet-shaped current collector; It may include a forming step (S20) of irradiating a laser to at least a portion of the electrode sheet on which the electrode slurry is applied, moving the electrode slurry from the laser-irradiated area to an adjacent area, and forming the shape of the electrode slurry.
  • the electrode shape control method may include a process of irradiating a laser to the surface of the electrode slurry in the forming step (S20), where the optical energy of the laser interacts with the electrode slurry. In the process, it is absorbed into the electrode slurry and converted into thermal energy, and the heat generated at this time is transferred to the surroundings.
  • the temperature of the area of the electrode slurry irradiated with the laser and its surroundings increases, and due to the increase in temperature, the viscosity of the electrode slurry decreases, allowing it to easily move to adjacent areas.
  • this laser can penetrate into the lower layer of the electrode sheet, so that not only the surface of the electrode slurry but also the electrode slurry adjacent to the current collector can flow by the laser. Accordingly, the electrode shape can be easily controlled to the shape desired by the operator.
  • the electrode slurry of the electrode sheet is in a non-solidified state. Since the solvent component does not exist or exists in a very small amount in the completely dried and solidified electrode slurry, it is not easy to move the electrode slurry even when irradiated with a laser, and the light energy of the laser deteriorates the solidified electrode slurry, causing the electrode slurry to This is because there is a risk of detachment.
  • the electrode slurry of the electrode sheet in the initial stage of the electrode sheet coating step or the electrode sheet drying step may be in a non-solid state.
  • the beginning of the drying step may be a section in which the drying step is performed such that 30% or more, or 50% or more, or 60% or more of the solvent remains in the electrode slurry, based on the total amount of solvent to be removed from the electrode slurry through the drying step. there is.
  • the electrode shape control method unlike the conventional method of etching and removing part of the electrode slurry with a laser, irradiates the laser to the area requiring shape deformation and moves the electrode slurry to the surroundings, thereby increasing the capacity. You can also have the advantage of almost no loss.
  • the coating step (S10) may be a step of applying an electrode slurry onto a sheet-shaped current collector.
  • the electrode slurry may be a concept that includes both an electrode-forming slurry containing an electrode active material and an electrode mixture layer formed by applying this electrode-forming slurry.
  • the electrode slurry includes, in addition to the slurry for forming the electrode and the electrode mixture layer described above, an insulating coating layer composition applied around the area where the electrode slurry is applied to prevent short circuit, and an insulating coating layer formed by applying the insulating coating layer composition. It may be a concept that includes
  • the coating step (S10) may include preparing a slurry for forming an electrode by mixing/stirring an electrode active material in a solvent and applying it to a current collector to form an electrode mixture layer.
  • the slurry for forming the electrode may further include one or more materials selected from binders, conductive materials, and other additives.
  • An electrode mixture layer is formed by applying a slurry for forming an electrode.
  • the insulating coating layer can be formed by applying an insulating coating layer composition obtained by mixing/stirring insulating polymer and inorganic particles in a solvent onto a current collector.
  • the composition for the insulating coating layer may be applied around the end of the electrode mixture layer, and may overlap a portion of the end of the electrode mixture layer.
  • This slurry for forming an electrode and the composition for an insulating coating layer can be coated on a current collector by a conventionally known coating device such as a coating die, coating roll, or slide-slot, and the slurry for forming an electrode and the composition for an insulating coating layer can be coated. If it is in a form that can be used, it is not limited to this.
  • a coating device including a coating die includes a coating die provided with an outflow slot to allow the electrode-forming slurry to flow outward toward the current collector, the coating die being spaced apart from the outflow slot of the coating die at a predetermined interval, and the electrode formed on the current collector by the coating die. It may have a structure including a coater roll that transfers the current collector by rotation so that the active material slurry can be applied.
  • This coating device also controls the shape of the electrode by controlling factors such as the distance (Gap) between the coating die and the current collector, the viscosity of the slurry for forming the electrode or the viscosity of the composition for the insulating coating layer, the rotation speed of the coater roll, and the discharge pressure of the coating die. can be controlled, but when controlling these factors, the loading amount of the electrode also changes.
  • the electrode shape control method of the present invention has the advantage of not having to change the coating control factor.
  • the forming step (S20) may include a process of irradiating a laser to an electrode sheet using a laser module, and if the laser module is capable of irradiating a laser to the electrode slurry, the shape is limited. It doesn't work.
  • the laser module 110 includes a laser oscillator 111 that generates laser; and a masking member 112.
  • the specific embodiment is not particularly limited.
  • the laser generated from the laser oscillator 111 may be an microwave near-infrared laser.
  • the microwave near-infrared laser has a short wavelength and easily reaches the lower part of the electrode sheet in the thickness direction, so it is preferable because it allows the electrode slurry adjacent to the current collector to move to the adjacent area.
  • the wavelength of this microwave near-infrared laser may be 500 nm to 1,500 nm, preferably 600 nm to 1,300 nm, and most preferably 700 nm to 1,100 nm.
  • the wavelength length of the laser satisfies the above range, it is preferable because the laser can easily reach the lower part of the electrode sheet without damaging the electrode slurry.
  • the output of the laser generated by the laser oscillator 111 can be adjusted by a controller (not shown), and the amount of movement of the electrode slurry can be controlled by adjusting the output of the laser.
  • the masking member 112 may be coupled below the laser oscillator 111 and may include one or more openings 112a through which at least a portion of the laser generated from the laser oscillator 111 passes. It can be provided.
  • the masking member 112 may be disposed below the laser oscillator 111 based on the direction perpendicular to the plane of the electrode sheet (z direction), and the masking member 112 may be disposed below the laser oscillator 111. It can serve to shield the laser from reaching the electrode sheet 10 below.
  • the masking member 112 may be provided with at least one opening 112a, and the laser generated from the laser oscillator 111 may be irradiated to the lower electrode sheet only through the opening 112a.
  • the laser module 110 may be configured to allow adjustment of the position and opening area of the opening 112a.
  • the masking member 112 according to this embodiment can control the position and amount of laser irradiation to the electrode sheet.
  • the position of the opening 112a can be adjusted, the position of the area where the laser passes through the opening 112a and is irradiated to the electrode slurry can be adjusted. Since the electrode slurry can be moved in the order from the part of the electrode slurry to which the laser is first irradiated to the part of the electrode slurry to which the laser is later irradiated, the direction of movement of the electrode slurry can be controlled by adjusting the position of the opening 112a. there is.
  • the opening area of the opening 112a can be adjusted, the amount of movement of the electrode slurry can be controlled. That is, the larger the opening area, the larger the total amount of irradiated laser light energy, so the amount of movement of the electrode slurry can also increase. Conversely, the smaller the opening area, the smaller the total amount of irradiated laser light energy, so the amount of movement of the electrode slurry can be It can become smaller.
  • the laser module 110 may be configured to adjust the position of the opening based on the transverse direction (TD) of the electrode sheet.
  • the opening 112a of the masking member 112 may be configured to be horizontally movable along the transverse direction (TD, y-direction) of the electrode sheet 10, and accordingly, from the end of the electrode slurry. Movement of the electrode slurry toward the center of the electrode slurry becomes possible.
  • Figures 4 and 5 are diagrams for explaining the process of controlling the position at which a laser is irradiated to an electrode sheet and the amount of laser irradiation according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode sheet 10 includes a holding portion 12 to which electrode slurry is applied and an uncoated portion 11 to which electrode slurry is not applied, and the opening 112a of the masking member 112 is , It may be open to a size corresponding to the transverse (y-direction) width and length of the holding portion. Accordingly, the laser (dotted arrow) generated from the laser oscillator 111 can pass through the opening 112a and irradiate the entire area along the transverse direction (y-axis direction) of the electrode slurry.
  • the holding portion 12 to which the electrode slurry is applied can be divided into a central portion 12a and an edge portion 12b around both edges in the transverse direction (y direction) of the electrode holding portion.
  • the opening 112a of the masking member 112 may be open to a size corresponding to the width and length of the edge portion 12b. Accordingly, the laser (dotted arrow) generated from the laser oscillator 111 can pass through the opening 112a and be irradiated only to the area of the edge portion 12b of the electrode holding portion 12.
  • the electrode shape control method of the present invention is configured to enable adjustment of the position and opening area of the opening through which the masking member passes the laser, and thus can control the position and/or area of the laser irradiation area.
  • Figure 6 is a side view of an electrode shape forming apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a top view of Figure 6.
  • the electrode shape control device 100 includes a laser module 110, a laser module driver 120, a frame 130, a transfer unit 140, and a controller (not shown). ) may include.
  • the laser module driving unit 120 is coupled to one side of the laser module 110 and operates the laser module 110 in the longitudinal direction (x direction) of the electrode sheet 10 and the transverse direction (y direction) of the electrode sheet 10. direction) and a direction perpendicular to the plane of the electrode sheet (z direction).
  • the laser module driver 120 may be configured to independently drive the laser oscillator 111 and the masking member 112. That is, the laser module driver 120 may include a first driver that drives the laser oscillator 111 and a second driver that drives the masking member.
  • the first driving unit reciprocates the laser oscillator 111 along a direction (z direction) perpendicular to the plane of the electrode sheet in order to adjust the vertical distance between the laser oscillator 111 and the electrode sheet 10. It can be driven so that it can be moved.
  • the second driving unit moves the masking member 112 in a direction perpendicular to the plane of the electrode sheet (z direction) in order to adjust the vertical distance between the masking member 112 and the electrode sheet 10. It can be driven to allow round-trip movement.
  • the second driving unit may drive the masking member 112 to reciprocate along the transverse direction (TD, y direction) of the electrode sheet in order to adjust the position of the opening 112a of the masking member 112.
  • the electrode shape control method according to this embodiment is configured so that at least one of the laser oscillator 111 and the masking member 112 can reciprocate along a direction perpendicular to the plane of the electrode sheet 10, so that the electrode slurry The amount of movement can be appropriately controlled.
  • the frame 130 may serve as a support on which the laser module 110 is mounted above the electrode sheet 10.
  • the transfer unit 140 may serve to transfer the electrode sheet 10 in the traveling direction (x direction).
  • the transfer unit 140 may include a transfer roller that moves the electrode sheet in one direction through rotational movement and a motor (not shown) that provides rotational force to the transfer roller.
  • the controller (not shown) may control the operation of various components of the electrode shape control device 100.
  • the controller (not shown) controls the position of the opening 112a, the vertical distance between the laser oscillator 111 and the electrode sheet 10, and the vertical distance between the masking member 112 and the electrode sheet 10. It may serve to control one or more conditions among the distance, the output of the laser generated from the laser oscillator 111, and the opening area of the opening 112a.
  • the controller can control the direction of movement of the electrode slurry by adjusting the position of the opening 112a.
  • the controller controls the vertical distance between the laser oscillator 111 and the electrode sheet 10, the vertical distance between the masking member 112 and the electrode sheet 10, the output of the laser generated from the laser oscillator 111, and the opening ( Among the opening areas of 112a), the amount of movement of the electrode slurry can be controlled by controlling one or more conditions.
  • Figure 8 is a graph showing the results of measuring the thickness of each electrode slurry before and after laser irradiation, according to an embodiment of the present invention.
  • the thickness of the electrode slurry before irradiating the laser gradually decreases overall from about 8mm of the coating width corresponding to the x-axis to about 2mm of the coating width, and then decreases sharply thereafter. It represents.
  • the temperature of the electrode slurry rises and flows due to the optical energy of the irradiated laser. This is in an easy state and moves in the direction of the arrow.
  • the thickness of the electrode mixture layer within about 4 mm to about 1 mm of the coating width decreased, and the thickness of the electrode mixture layer within about 8 mm to 4 mm of the coating width increased.
  • the electrode shape control method according to the present invention has the effect of irradiating a laser to the position where the operator wants to be formed, so that the electrode shape can be easily formed according to the operator's intention.
  • the shape of the electrode is changed by using a laser to move the electrode slurry, there is almost no loss of electrode slurry, and the shape can be changed in the sliding area, flat area, or both areas of the electrode active material coating area. there is.
  • FIG. 9 is a side view of a laser module according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the masking member according to the first embodiment of FIG. 9.
  • the laser module 110 includes a masking member 112, and the masking member 112 is a plate-shaped member having a plurality of through holes 112a.
  • the masking member 112 may include an opening and closing member 113 that is slidably coupled to one side of the plane of the plate-shaped member 112.
  • a through hole 112a that is not shielded by the opening and closing member 113 may form the opening.
  • the opening and closing member 113 is configured to shield part or all of the opening formed by the through hole 112a, and the opening position and/or the opening of the opening is determined through the operation of the opening and closing member 113. Area can be controlled.
  • the masking member 112 may be a plate-shaped member having a predetermined thickness d.
  • the masking member 112 may be positioned between the laser oscillator 111 and the electrode sheet 10 based on the direction perpendicular to the plane of the electrode sheet (z direction).
  • the opening and closing member 113 may be coupled to one plane of the plate-shaped masking member 112. In FIGS. 9 and 10, the opening and closing member 113 is shown coupled to the lower surface of the masking member 112. It is not limited and may be coupled to the upper surface of the masking member 112.
  • the opening and closing member 113 may be a plate-shaped member, and one opening and closing member may slide to shield part or all of the through hole 112a that needs to be shielded, as shown in FIGS. 9 and 10. As shown, two or more plate-shaped members are gathered to form one opening and closing member 113, but the plurality of opening and closing members may be configured to slide independently. When there are two or more opening and closing members 113, it may be easier to select the location of the through hole 112a to be shielded.
  • the through hole 112a is in the form of penetrating from one side of the plate-shaped masking member 112 to the other side, and the laser generated from the laser oscillator 111 can pass through the through hole 112a and be irradiated to the electrode sheet. . That is, the through hole 112a may form an opening.
  • a portion of the masking member 112 where a through hole is not formed may shield the laser generated from the laser oscillator 111.
  • a plurality of through holes 112a are formed in the masking member 112, and the opening and closing member 113 slides to the position of the through hole 112a that requires shielding of the laser.
  • the opening and closing member 113 may cover part or all of the through hole to prevent the laser from being irradiated to the electrode sheet.
  • the opening and closing member 113 selects the through hole to be shielded, the position at which the laser generated from the laser oscillator 111 is irradiated to the electrode sheet can be adjusted. Accordingly, the direction of movement of the electrode slurry can be controlled.
  • the area of the through hole shielded by the opening and closing member 113 can be adjusted. That is, the entire area of one through hole may be shielded, or a partial area of one through hole may be shielded.
  • the amount of laser irradiated to the electrode sheet 10 can be adjusted.
  • the amount of movement of the electrode slurry can be controlled by adjusting the amount of laser irradiated to the electrode sheet.
  • the position of the opening of the masking member can be freely selected by appropriately moving the shielding member 113 in order to irradiate the laser to the area where the electrode shape is to be controlled,
  • the opening area of the opening By freely adjusting the opening area of the opening, the amount of laser radiation can be appropriately controlled. Therefore, the operator can freely select the laser irradiation area along the transverse direction of the holding portion to which the electrode slurry is applied. For example, if there is a protruding area (fat edge) on both edges of the holding part in the transverse direction (y direction) to which the electrode slurry is applied, the opening position and opening area of the opening of the masking member can be adjusted to selectively cover only that area.
  • the electrode shape By irradiating a laser, the electrode shape can be controlled to a desired shape.
  • Figure 11 is a side view of the laser module according to the second embodiment of the present invention
  • Figure 12 is a diagram for explaining the operation of the masking member according to the first embodiment.
  • the laser module according to the second embodiment includes a masking member 212, and the masking member 212 is aligned along the transverse direction of the electrode sheet 10.
  • a plurality of plate-shaped blocks (212-1, 212-2, 212-3, 212-4) arranged; It may include a block driver (not shown) that allows each of the plurality of plate-shaped blocks 212-1, 212-2, 212-3, and 212-4 to move horizontally along the lateral direction of the electrode sheet.
  • the space 212a between adjacent plate-shaped blocks may form the opening.
  • a plurality of plate-shaped blocks (212-1, 212-2, 212-3, 212-4) are gathered to form the masking member 212, and the laser generated from the laser oscillator 211 is spaced apart from each other by the plate-shaped blocks. It is possible to reach the lower electrode sheet 10 through.
  • the plurality of plate-shaped blocks 212-1, 212-2, 212-3, and 212-4 may each have an independently movable structure. As shown in FIG. 12, depending on the movement form of the plurality of plate-shaped blocks 212-1, 212-2, 212-3, and 212-4, the position and area where the laser is irradiated to the electrode sheet may be adjusted. there is.
  • Figure 13 is a flowchart for explaining an electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode manufacturing method includes a coating step (S110) of applying an electrode slurry on a sheet-shaped current collector; A forming step (S120) of forming the shape of the electrode slurry by irradiating a laser to at least a portion of the electrode sheet on which the electrode slurry is applied and moving the electrode slurry from the laser-irradiated area to an adjacent area; And it may include drying the electrode sheet (S130).
  • the electrode slurry of the electrode sheet is not solidified. Since the solvent component does not exist or exists in a very small amount in the completely dried and solidified electrode slurry, it is not easy to move the electrode slurry even when irradiated with a laser, and the light energy of the laser deteriorates the solidified electrode slurry, causing the electrode slurry to This is because there is a risk of detachment.
  • the drying step (S130) may be a step of removing the solvent in the electrode slurry using a hot air supply means or/and a radiant heat supply means to the electrode sheet.
  • the drying step (S130) may be performed according to generally known technical details in the technical field of electrodes for lithium secondary batteries.
  • the forming step (S120) may be performed before the initial drying step (S130) of the electrode sheet.
  • the beginning of the drying step may be a section in which the drying step is performed such that 30% or more, or 50% or more, or 60% or more of the solvent remains in the electrode slurry, based on the total amount of solvent to be removed from the electrode slurry through the drying step. there is.
  • the electrode slurry is in a state in which it is easy to move, and thus the electrode shape can be molded into the shape desired by the operator by irradiating a laser according to the present invention.
  • the forming step (S120) may be performed before the drying step (S130) of the electrode sheet. That is, after performing the forming step (S120) of the present invention on the electrode sheet that has completed the coating step (S110), the drying step (S120) may be performed.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 적어도 일부에 레이저를 조사하여, 레이저가 조사된 부위의 전극 슬러리를 인접 부위로 이동하도록 해, 전극 슬러리의 형상을 성형하는 성형 단계를 포함하는 전극 형상 제어방법 및 전극 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따른 전극 형상 제어방법 및 전극 제조방법은, 용량 손실을 최소화할 수 있고, 전극 형상 변경을 위해 전극 슬러리의 이동 방향 및 전극 슬러리의 이동량의 제어가 가능한 효과가 있다.

Description

전극 형상 제어방법 및 전극 제조방법
본 출원은 2022.04.07.자 한국 특허 출원 제10-2022-0043367호 및 2023.04.05.자 한국 특허 출원 제10-2023-0044807호에 기초한 우선권의 이익을 주장한다.
본 발명은 전극 슬러리의 코팅 후, 그 표면에 열 전달이 가능한 레이저를 조사하여, 전극 슬러리의 일부를 유동화시켜, 전극 형상을 제어하는 방법 및 전극의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하며, 이러한 이차전지는 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
상기한 이차전지는 캔형 이차전지와, 파우치형 이차전지로 분류되며, 상기 캔형 이차전지는 전극조립체, 전해액, 전극조립체와 전해액을 수용하는 캔, 및 캔의 개구부에 실장되는 캡 조립체를 포함한다. 그리고 상기 전극조립체는 전극과 분리막이 교대로 적층되는 구조를 가진다. 그리고 전극은 집전체와 상기 집전체에 코팅되는 전극활물질을 포함한다.
이러한 이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 품질 및 안전성을 향상시키는 것이다. 이에 대해, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 종래 기술에 따른 리튬 이차전지의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전극 집전체(1) 상에 전극 슬러리 코팅 방식으로 전극 합체층(2)이 형성된다. 전극 집전체(1)의 양면(상면 및 하면)에 전극 합체층(2)이 코팅 형성된다.
전극 집전체(1)의 상면에 형성되는 탑 코팅(Top coating)의 경우, 중력/원심력 등의 외력의 작용으로 전극 합체층(2) 양단부의 전극 슬러리가 흘러내리는 현상이 발생한다. 전극 슬러리가 흘러내린 영역을 통상 슬라이딩 영역이라고도 한다.
이러한 슬라이딩 영역으로 인해 전지 용량이 목표치 보다 낮아지는 용량 손실이 발생하게 된다. 또한, 전극 합체층(2) 양단부의 두께가 낮아지게 되어 분리막(S)과의 접촉이 불균일해져서 이격(도 1의 부호 a 참조)이 발생하게 되어 전체적으로 이차전지의 품질이 열화된다.
전극 집전체(1)의 하면에 형성되는 백 코팅(Back coating)의 경우, 전극 슬러리가 건조되기 전에 중력에 의해 흘러내려, 전극 합제층(2)의 양단부가 하방향으로 돌출(도 1의 부호 b 참조)되어, 이후 압연 공정시에 돌출부는 높은 응력을 받게 된다.
한편, 슬라이딩 영역이 발생한 양극과 음극 대면시에, N/P ratio가 설계치와 달라질 수 있고, 나아가 N/P ratio가 역전되면 슬라이딩 영역에서 리튬이 석출되는 문제가 생길 수도 있다.
한국공개특허 제10-2017-0057953호는, 전극의 표면에 레이저 빔을 조사하여, 전극 합제층의 일부를 제거하는 전극 성형 장치를 개시하고 있다. 상기 문헌에 공개된 기술은 전극 표면의 형상을 성형할 수는 있으나, 전극 합제층의 일부가 제거되어, 제거된 전극 합제층 만큼의 용량 손실이 발생한다.
이에 전극 코팅 후, 전극의 형상을 제어하면서도, 용량 손실을 최소화할 수 있는 전극 형상 제어방법에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 전극 코팅 이후, 전극의 형상을 제어하면서도, 용량 손실을 최소화할 수 있는 전극 형상 제어방법 및 전극 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 적어도 일부에 레이저를 조사하여, 레이저가 조사된 부위의 전극 슬러리를 인접 부위로 이동하도록 해, 전극 슬러리의 형상을 성형하는 성형 단계를 포함하는 전극 형상 제어방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극 시트의 전극 슬러리는 고상화되지 않은 상태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저는 극초단파 근적외선 레이저일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 성형 단계는, 레이저 모듈을 이용하여 레이저를 조사하는 과정을 포함할 수 있고, 상기 레이저 모듈은, 레이저를 생성하는 레이저 발진기; 및 상기 레이저 발진기의 하방에 결합되어 있고, 레이저 발진기로부터 생성된 레이저의 적어도 일부를 통과시키는 하나 이상의 개구부를 구비하는 마스킹 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 모듈은, 상기 개구부의 위치 및 개구 면적의 조절이 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 모듈은, 전극 시트의 횡방향(TD)을 기준으로, 상기 개구부의 위치 조절이 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 모듈은, 레이저 발진기와 전극 시트 사이의 수직 거리, 마스킹 부재와 전극 시트 사이의 수직 거리, 레이저의 출력 및 상기 개구부의 개구 면적 중, 하나 이상의 조건을 제어하여 전극 슬러리의 이동량을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 모듈은, 상기 개구부의 위치 조절을 통해, 전극 슬러리의 이동 방향을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 마스킹 부재는, 다수의 관통홀을 구비한 판상형의 부재이고, 상기 다수의 관통홀 중의 적어도 하나 이상을 개폐하기 위하여, 상기 판상형 부재의 일측 평면상에 슬라이딩 이동 가능하도록 결합되는 개폐 부재를 포함하며, 상기 개폐 부재에 의해 차폐되지 않은 관통홀이 상기 개구부를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 마스킹 부재는, 전극 시트의 횡방향을 따라 일렬 배치되는 다수의 판상형 블록; 상기 다수의 판상형 블록 각각을 전극 시트의 횡방향을 따라 수평 이동 가능케 하는 블록 구동부를 포함하며, 상호 인접하는 판상형 블록의 이격 공간이, 상기 개구부를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저 발진기 및 마스킹 부재 중 적어도 하나 이상은, 전극 시트의 평면에 수직한 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 시트 형태의 집전체 상에, 전극 슬러리를 도포하는 코팅 단계; 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 적어도 일부에 레이저를 조사하여, 레이저가 조사된 부위의 전극 슬러리를 인접 부위로 이동하도록 해, 전극 슬러리의 형상을 성형하는 성형 단계; 및 전극 시트를 건조하는 건조 단계를 포함하는 전극의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극 시트의 전극 슬러리는 고상화되지 않은 상태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 성형 단계는 전극 시트의 건조 단계의 초기 이전에 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 성형 단계는 전극 시트의 건조 단계 이전에 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전극극 형상 제어방법 및 전극의 제조방법은, 코팅 단계에서의 코팅 조건을 변경하지 않고도, 전극 형상을 제어할 수 있어, 코팅 조건 변경으로 인한 전극 품질이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 전극 형상 변경을 위해 전극 슬러리의 이동 방향 및 전극 슬러리의 이동량의 제어가 가능한 효과가 있으며, 전극 슬러리의 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 전극 코팅 이후, 슬라이딩 영역이 발생한 전극 형상을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 제어방법을 간략히 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 시트에 레이저가 조사되는 위치와 레이저의 조사량를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 성형장치의 측면도이다.
도 7은 도 6의 상부도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, 레이저를 조사하기 이전과 이후의 각 전극 슬러리의 두께를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 레이저 모듈의 측면도이다.
도 10은 제1 실시형태에 따른 마스킹 부재의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 레이저 모듈의 측면도이다.
도 12는 제2 실시형태에 따른 마스킹 부재의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
[부호의 설명]
100: 전극 형상 성형 장치
110: 레이저 모듈
111,211: 레이저 발진기
112,212: 마스킹 부재
112a: 개구부
113: 개폐 부재
120,220: 레이저 모듈 구동부
130: 프레임
140: 이송부
10: 전극 시트
12: 전극 슬러리(유지부)
11: 집전체(무지부)
발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
전극 형상 제어방법
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 제어방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 제어방법을 간략히 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전극 형상 제어방법은, 시트 형태의 집전체 상에, 전극 슬러리를 도포하는 코팅 단계(S10); 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 적어도 일부에 레이저를 조사하여, 레이저가 조사된 부위의 전극 슬러리를 인접 부위로 이동하도록 해, 전극 슬러리의 형상을 성형하는 성형 단계(S20)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 형상 제어방법은, 상기 성형 단계(S20)에서, 전극 슬러리의 표면에 레이저를 조사하는 과정을 포함할 수 있는데, 이러한 레이저의 광에너지는, 전극 슬러리와 상호작용하는 과정에서, 전극 슬러리에 흡수되어 열에너지로 변환되고, 이때 생성된 열이 주변으로 전달된다.
이러한 열에너지에 의해 레이저가 조사된 전극 슬러리 부위 및 그 주변은 온도가 상승되고, 온도 상승으로 인해, 전극 슬러리의 점도가 낮아지면서, 인접 부위로 용이하게 이동할 수 있게 된다. 그리고 이러한 레이저는 전극 시트의 하층부까지 침투될 수 있어, 전극 슬러리의 표면뿐만 아니라, 집전체에 인접한 전극 슬러리도 레이저에 의해 유동할 수 있는 상태가 된다. 이에 전극 형상을 작업자가 원하는 형상으로 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 시트의 전극 슬러리는 고상화되지 않은 상태인 것이 바람직하다. 전극 슬러리가 완전히 건조되어 고상화된 전극 슬러리 중에는 용매 성분이 존재하지 않거나 극소량 존재하므로, 레이저를 조사하더라도 전극 슬러리의 이동이 용이하지 않고, 레이저의 광에너지가 고상화된 전극 슬러리를 열화시켜 전극 슬러리를 탈리시킬 우려가 있기 때문이다.
전극 시트의 코팅 단계 내지 전극 시트의 건조 단계 중 초기에 있는 전극 시트의 전극 슬러리는 고상이 아닌 상태일 수 있다. 여기서, 건조 단계의 초기란, 건조 단계를 통해 전극 슬러리 중에서 제거할 용매의 총량을 기준으로, 30% 이상, 또는 50% 이상 또는 60% 이상의 용매가 전극 슬러리 중에 남아있도록 건조 단계가 진행된 구간일 수 있다.
따라서, 이러한 실시예에 따른 전극 형상 제어방법은, 레이저로 전극 슬러리의 일부를 식각해 제거하는 종래의 방식과 다르게, 형상 변형이 필요한 부위에 레이저를 조사해, 전극 슬러리를 주변으로 이동시키는 것이므로, 용량 손실이 거의 없는 이점도 가질 수 있다.
상기 코팅 단계(S10)는, 시트 형태의 집전체 상에 전극 슬러리를 도포하는 단계일 수 있다. 본 발명에 있어서, 전극 슬러리란, 전극 활물질을 포함하는 전극 형성용 슬러리와, 이러한 전극 형성용 슬러리를 도포하여 형성한 전극 합제층을 모두 포함하는 개념일 수 있다. 또한 전극 슬러리는, 전술한 전극 형성용 슬러리와 전극 합제층 외에도, 단락 방지를 위해, 전극 슬러리가 도포된 부위의 주변에 도포되는 절연 코팅층용 조성물, 절연 코팅층용 조성물을 도포하여 형성한 절연 코팅층도 포함하는 개념일 수 있다.
코팅 단계(S10)는 구체적으로, 용매에 전극 활물질을 혼합/교반한 전극 형성용 슬러리를 제조하고, 이를 집전체에 도포하여 전극 합제층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 전극 형성용 슬러리는, 용매 및 전극 활물질 외에 추가적으로, 바인더, 도전재 및 기타 첨가제 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 더 포함할 수 있다. 전극 형성용 슬러리를 도포함으로써, 전극 합제층이 형성된다.
절연 코팅층은, 용매에 절연성 고분자 및 무기 입자를 혼합/교반한 절연 코팅층용 조성물을 집전체상에 도포하여 형성될 수 있다. 절연 코팅층용 조성물은 전극 합제층의 단부 주변에 도포될 수 있고, 전극 합제층의 단부의 일부와 중첩될 수도 있다.
이러한 전극 형성용 슬러리 및 절연 코팅층용 조성물은, 코팅 다이, 코팅 롤 또는 슬라이드-슬롯 등의 종래 알려진 코팅 장치에 의해 집전체 상에 코팅될 수 있으며, 전극 형성용 슬러리 및 절연 코팅층용 조성물을 코팅할 수 있는 형태라면, 이에 한정되지 아니한다.
코팅 다이를 포함하는 코팅 장치는, 집전체를 향하여 전극 형성용 슬러리가 외부로 유출되도록 유출 슬롯이 마련된 코팅 다이, 코팅 다이의 유출 슬롯으로부터 소정 간격으로 이격 배치되고, 코팅 다이에 의해 집전체에 전극 활물질 슬러리가 도포될 수 있도록 회전에 의해 집전체를 이송하는 코터 롤을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 코팅 장치도, 코팅 다이와 집전체 사이의 거리(Gap), 전극 형성용 슬러리의 점도 또는 절연 코팅층용 조성물의 점도, 코터 롤의 회전 속도, 코팅 다이의 토출 압력 등의 인자 제어를 통해, 전극 형상을 제어할 수도 있으나, 이러한 인자를 제어할 경우, 전극의 로딩량도 함께 변화된다. 본 발명의 전극 형상 제어방법은, 이러한 코팅 제어 인자를 변경하지 않아도 되는 이점이 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 성형 단계(S20)는 레이저 모듈을 이용하여 전극 시트에 레이저를 조사하는 과정을 포함할 수 있으며, 상기 레이저 모듈은 전극 슬러리에 대해 레이저의 조사가 가능한 것이라면, 형태가 한정되지 아니한다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에서, 상기 레이저 모듈(110)은, 레이저를 생성하는 레이저 발진기(111); 및 마스킹 부재(112)를 포함할 수 있다.
레이저 발진기(111)는 전극 시트(10)의 적어도 일부에 조사될 레이저를 생성할 수 있다면, 그 구체적 실시 형태는 특별히 한정되지 아니한다.
일 실시예에서, 레이저 발진기(111)로부터 생성되는 레이저는 극초단파 근적외선 레이저일 수 있다. 극초단파 근적외선 레이저는, 파장이 짧아 전극 시트의 두께 방향의 하부에까지 잘 도달하므로, 집전체에 인접한 전극 슬러리도 인접한 부분으로 이동할 수 있도록 하므로 바람직하다.
이러한 극초단파 근적외선 레이저는 파장 길이는, 500nm 내지 1,500nm 일 수 있고, 바람직하게는 600nm 내지 1300nm 일 수 있으며, 가장 바람직하게는 700nm 내지 1100nm 일 수 있다. 레이저의 파장 길이가 상기 범위를 만족하는 경우, 레이저가 전극 시트의 하부에까지 잘 도달하면서도, 전극 슬러리에 손상을 입히지 않을 수 있어 바람직하다.
레이저 발진기(111)에서 생성되는 레이저의 출력은 컨트롤러(미도시)에 의해 조절 가능하며, 레이저의 출력을 조절함으로써 전극 슬러리의 이동량을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마스킹 부재(112)는, 상기 레이저 발진기(111)의 하방에 결합될 수 있고, 레이저 발진기로(111)부터 생성된 레이저의 적어도 일부를 통과시키는 하나 이상의 개구부(112a)를 구비할 수 있다.
상기 마스킹 부재(112)는 전극 시트의 평면상 수직한 방향(z방향)을 기준으로, 레이저 발진기(111)의 하방에 배치될 수 있고, 마스킹 부재(112)는 레이저 발진기(111)로부터 생성된 레이저가, 하방의 전극 시트(10)에 도달하지 않도록 차폐하는 역할을 할 수 있다.
마스킹 부재(112)에는 적어도 하나 이상의 개구부(112a)를 구비될 수 있으며, 레이저 발진기(111)로부터 생성된 레이저는 개구부(112a)를 통해서만 하방의 전극 시트에 조사될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 모듈(110)은, 상기 개구부(112a)의 위치 및 개구 면적의 조절이 가능하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에 따른 마스킹 부재(112)는 전극 시트에 레이저가 조사되는 위치 및 레이저의 조사량을 조절할 수 있다.
개구부(112a)의 위치 조절이 가능함에 따라, 레이저가 개구부(112a)를 통과하여 전극 슬러리에 조사되는 부위의 위치를 조절할 수 있다. 최초에 레이저가 조사되는 전극 슬러리의 부위부터 나중에 레이저가 조사되는 전극 슬러리의 부위의 순으로, 전극 슬러리가 이동 가능하므로, 개구부(112a)의 위치 조절을 통해 전극 슬러리의 이동 방향의 제어가 가능할 수 있다.
또한 개구부(112a)의 개구 면적의 조절이 가능함에 따라, 전극 슬러리의 이동량의 제어가 가능하다. 즉 개구 면적이 클수록 조사되는 레이저의 광에너지의 총량이 커지므로, 전극 슬러리의 이동량도 많아질 수 있고, 반대로 개구 면적이 작을수록 조사되는 레이저의 광에너지의 총량이 작아지므로, 전극 슬러리의 이동량이 작아질 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 모듈(110)은, 상기 전극 시트의 횡방향(TD)을 기준으로, 상기 개구부의 위치 조절이 가능하도록 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 마스킹 부재(112)의 개구부(112a)는 전극 시트(10)의 횡방향(TD, y방향)을 따라 수평 이동이 가능하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 전극 슬러리의 단부로부터 전극 슬러리의 중앙부를 향해 전극 슬러리의 이동이 가능하게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 시트에 레이저가 조사되는 위치 및 조사량을 제어하는 과정을 설명한다.
도 4 내지 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 시트에 레이저가 조사되는 위치와 레이저의 조사량를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 전극 시트(10)는 전극 슬러리가 도포된 유지부(12)와 전극 슬러리가 도포되지 않은 무지부(11)를 포함하고 있으며, 마스킹 부재(112)의 개구부(112a)는, 유지부의 횡방향(y방향) 폭 길이에 대응하는 크기로 개방되어 있을 수 있다. 이에 따라 레이저 발진기(111)로부터 생성된 레이저(점선의 화살표)는 상기 개구부(112a)를 통과하여 전극 슬러리의 횡방향(y축 방향)을 따라 전체 영역에 대해 조사될 수 있다.
도 5를 참조하면, 전극 슬러리가 도포된 유지부(12)는, 중앙부(12a)와 전극 유지부의 횡방향(y방향) 양측 가장자리 주변의 에지부(12b)로 구분될 수 있다. 마스킹 부재(112)의 개구부(112a)는, 상기 에지부(12b)의 폭 길이에 대응하는 크기로 개방되어 있을 수 있다. 이에 따라 레이저 발진기(111)로부터 생성된 레이저(점선의 화살표)는 상기 개구부(112a)를 통과하여 전극 유지부(12)의 에지부(12b)의 영역에만 조사될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 전극 형상 제어방법은, 마스킹 부재가 레이저를 통과시키는 개구부의 위치 및 개구 면적의 조절이 가능하도록 구성되어, 레이저의 조사 영역의 위치 및/또는 면적을 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 성형장치의 측면도이고, 도 7은 도 6의 상부도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 제어장치(100)는, 레이저 모듈(110), 레이저 모듈 구동부(120), 프레임(130), 이송부(140) 및 컨트롤러(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 레이저 모듈(110)에 대해서는 앞서 설명하였으므로, 중복된 설명은 생략한다.
상기 레이저 모듈 구동부(120)는, 레이저 모듈(110)의 일측에 결합되어, 레이저 모듈(110)을, 전극 시트(10)의 길이 방향(x 방향), 전극 시트(10)의 횡방향(y 방향) 및 전극 시트의 평면에 수직한 방향(z 방향) 중 어느 하나 이상의 방향을 따라 이동 가능하게 구동하는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 모듈 구동부(120)는, 레이저 발진기(111) 및 마스킹 부재(112) 각각을 독립적으로 구동하도록 구성될 수 있다. 즉, 레이저 모듈 구동부(120)는, 레이저 발진기(111)를 구동하는 제1 구동부 및 마스킹 부재를 구동하는 제2 구동부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 구동부는 레이저 발진기(111)와 전극 시트(10) 사이의 수직 거리를 조절하기 위해, 레이저 발진기(111)를 전극 시트의 평면에 수직하는 방향(z방향)을 따라 왕복 이동 가능하도록 구동할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 제2 구동부는 마스킹 부재(112)와 전극 시트(10) 사이의 수직 거리를 조절하기 위해, 마스킹 부재(112)를 전극 시트의 평면에 수직하는 방향(z방향)을 따라 왕복 이동 가능하도록 구동할 수 있다. 그리고, 제2 구동부는 마스킹 부재(112)의 개구부(112a)의 위치 조절을 위해, 마스킹 부재(112)를 전극 시트의 횡방향(TD, y방향)을 따라 왕복 이동 가능하도록 구동할 수도 있다.
이러한 실시예에 따른 전극 형상 제어방법은, 레이저 발진기(111) 및 마스킹 부재(112) 중 적어도 하나 이상이 전극 시트(10)의 평면에 수직한 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 구성됨에 따라, 전극 슬러리의 이동량을 적절하게 제어할 수 있다.
상기 프레임(130)은, 레이저 모듈(110)이 전극 시트(10)의 상방에 장착되는 지지대의 역할을 할 수 있다.
상기 이송부(140)는 전극 시트(10)를 주행 방향(x 방향)으로 이송시키는 역할을 할 수 있다. 이송부(140)는 회전 운동에 의해 전극 시트를 일 방향으로 주행시키는 이송 롤러와 상기 이송 롤러에 회전 운동력을 부여하는 모터(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러(미도시)는, 전극 형상 제어장치(100)의 제반 구성 요소들의 동작을 제어하는 역할을 할 수 있다.
즉, 컨트롤러(미도시)는, 상기 개구부(112a)의 위치를 제어하고, 레이저 발진기(111)와 전극 시트(10) 사이의 수직 거리, 마스킹 부재(112)와 전극 시트(10) 사이의 수직 거리, 레이저 발진기(111)로부터 생성되는 레이저의 출력, 상기 개구부(112a)의 개구 면적 중, 하나 이상의 조건을 제어하는 역할을 할 수 있다.
컨트롤러는 개구부(112a)의 위치 조절을 통해, 전극 슬러리의 이동 방향을 제어할 수 있다.
또한 컨트롤러는 레이저 발진기(111)와 전극 시트(10) 사이의 수직 거리, 마스킹 부재(112)와 전극 시트(10) 사이의 수직 거리, 레이저 발진기(111)로부터 생성되는 레이저의 출력, 상기 개구부(112a)의 개구 면적 중, 하나 이상의 조건을 제어하여, 전극 슬러리의 이동량을 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, 레이저를 조사하기 이전과 이후의 각 전극 슬러리의 두께를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 레이저를 조사하기 이전 전극 슬러리의 두께는, x축에 해당하는 코팅폭의 약 8mm 지점부터 코팅폭의 약 2mm 지점까지는, 전체적으로 완만하게 감소하다가, 그 이후부터 급격히 감소하는 형태를 나타내고 있다. 본 발명의 실시예에 따라, x축에 해당하는 코팅폭의 약 1mm 지점 내지 약 5mm 지점의 영역 내에, 레이저를 조사하게 되면, 조사된 레이저의 광에너지로 인해, 전극 슬러리는 온도가 상승되어 유동이 용이한 상태로 되어, 화살표 방향으로 이동하게 된다. 그 결과, 코팅폭의 약 4mm 지점 내지 약 1mm 지점 내의 전극 합제층의 두께는 감소하고, 약 8mm 지점 내지 4mm 지점 내의 전극 합제층의 두께는 증가한 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전극 형상 제어방법은, 작업자가 성형을 원하는 위치에 대해, 레이저를 조사하여, 작업자의 의도대로 전극 형상을 용이하게 성형할 수 있는 효과가 있다. 또한, 레이저를 이용해, 전극 슬러리를 이동시키는 방법으로 전극 형상을 변경하는 것이므로, 전극 슬러리의 손실이 거의 없으며, 전극 활물질 코팅부의 슬라이딩 영역, 평탄부, 또는 이들 모두의 영역에서 형상 변경이 가능한 효과가 있다.
[제1 실시형태]
도 9는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 레이저 모듈의 측면도이고, 도 10은 도 9의 제1 실시형태에 따른 마스킹 부재의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 제1 실시형태에 따른 레이저 모듈(110)은, 마스킹 부재(112)를 포함하고, 상기 마스킹 부재(112)는, 다수의 관통홀(112a)을 구비한 판상형의 부재이고, 상기 다수의 관통홀 중의 적어도 하나 이상을 개폐하기 위하여, 상기 판상형 부재(112)의 일측 평면 상에 슬라이딩 이동 가능하도록 결합되는 개폐 부재(113)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 개폐 부재(113)에 의해 차폐되지 않는 관통홀(112a)이 상기 개구부를 형성할 수 있다.
상기 개폐 부재(113)는, 관통홀(112a)에 의해 형성되는 개구부의 일부 내지 전부를 차폐할 수 있도록 구성되어 있으며, 개폐 부재(113)의 동작을 통해 개구부의 개구 위치 및/또는 개구부의 개구 면적을 제어할 수 있다.
상기 마스킹 부재(112)는, 소정의 두께(d)를 가지는 판상형의 부재일 수 있다. 마스킹 부재(112)는, 전극 시트의 평면에 수직한 방향(z방향)을 기준으로, 레이저 발진기(111)와 전극 시트(10)의 사이에 위치할 수 있다.
개폐 부재(113)는 판상형의 마스킹 부재(112)의 일측 평면 상에 결합될 수 있고, 도 9 및 도 10에서는 개폐 부재(113)가 마스킹 부재(112)의 하면에 결합된 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 아니하고 마스킹 부재(112)의 상면에 결합될 수도 있다.
상기 개폐 부재(113)는, 판상형의 부재일 수 있고, 하나의 개폐 부재가 슬라이딩 이동하여, 차폐가 필요한 관통홀(112a)의 일부 내지 전부를 차폐할 수 있고, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 둘 이상의 판상형 부재가 집합되어 하나의 개폐 부재(113)를 형성하되, 복수의 개폐 부재가 각각 독립적으로 슬라이딩 이동 가능하게 구성될 수 있다. 개폐 부재(113)가 둘 이상인 경우, 차폐할 관통홀(112a)의 위치 선택이 보다 용이할 수 있다.
상기 관통홀(112a)은 판상형의 마스킹 부재(112)의 일면에서 타면으로 관통된 형태로, 레이저 발진기(111)로부터 생성된 레이저는 관통홀(112a)을 통과하여, 전극 시트에 조사될 수 있다. 즉, 상기 관통홀(112a)이 개구부를 형성할 수 있다.
마스킹 부재(112)에서 관통홀이 형성되지 않은 부위는 레이저 발진기(111)로부터 생성된 레이저를 차폐할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 마스킹 부재(112)에는 다수의 관통홀(112a)이 형성되어 있고, 개폐 부재(113)는 레이저의 차폐가 필요한 관통홀(112a)의 위치로 슬라이동 이동하여, 개폐 부재(113)가 해당 관통홀의 일부 또는 전부를 가려 레이저가 전극 시트에 조사되지 않도록 차폐할 수 있다.
그리고 개폐 부재(113)가 차폐할 관통홀을 선택함에 따라, 레이저 발진기(111)로부터 생성된 레이저가 전극 시트에 조사되는 위치의 조절이 가능하다. 이에 따라, 전극 슬러리의 이동 방향을 제어할 수 있다.
또한, 개폐 부재(113)에 의해 차폐되는 관통홀의 면적을 조절할 수도 있다. 즉, 하나의 관통홀의 전 영역을 모두 차폐할 수도 있고, 하나의 관통홀의 일부 영역을 차폐할 수도 있다. 개폐 부재에 의해 차폐되는 관통홀의 면적을 조절함에 따라, 전극 시트(10)에 조사되는 레이저의 양을 조절할 수도 있다. 그리고 전극 시트에 조사되는 레이저의 양을 조절함에 따라 전극 슬러리의 이동량을 제어할 수 있다.
위와 같은 실시형태에 따른 전극 형상 제어방법은, 전극 형상을 제어하고자 하는 부위에, 레이저를 조사하기 위해서, 상기 차폐 부재(113)를 적절하게 이동시켜, 마스킹 부재의 개구부 위치를 자유롭게 선택할 수 있고, 개구부의 개구 면적을 자유롭게 조절하여, 레이저의 조사량을 적절하게 제어할 수 있다. 따라서, 작업자는 전극 슬러리가 도포된 유지부의 횡방향을 따라, 레이저의 조사 영역을 자유롭게 선택할 수 있다. 가령 전극 슬러리가 도포된 유지부의 횡방향(y방향)의 양측 가장자리 부위에서, 돌출된 부위(fat edge)가 있는 경우, 마스킹 부재의 개구부의 개구 위치 및 개구 면적의 조절을 통해, 해당 부위에만 선택적으로 레이저를 조사하여, 원하는 형상으로 전극 형상을 제어할 수 있다.
[제2 실시형태]
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 레이저 모듈의 측면도이고, 도 12는 제1 실시형태에 따른 마스킹 부재의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 이들 도면을 참조하면, 제2 실시형태에 따른 레이저 모듈은, 마스킹 부재(212)를 포함하고, 상기 마스킹 부재(212)는, 전극 시트(10)의 횡방향을 따라 일렬 배치되는 다수의 판상형 블록(212-1, 212-2, 212-3, 212-4); 상기 다수의 판상형 블록(212-1, 212-2, 212-3, 212-4) 각각을 전극 시트 횡방향을 따라 수평 이동 가능케 하는 블록 구동부(미도시)를 포함할 수 있다. 그리고, 상호 인접하는 판상형 블록의 이격 공간(212a)이, 상기 개구부를 형성할 수 있다.
다수의 판상형 블록(212-1, 212-2, 212-3, 212-4)은 집합되어 마스킹 부재(212)를 구성하고, 레이저 발진기(211)로부터 생성된 레이저는 판상형 블록의 상호 이격 공간을 통해 하부의 전극 시트(10)에 도달할 수 있다.
전극 시트에 레이저가 조사되는 위치 및 면적을 조절하기 위해, 다수의 판상형 블록(212-1, 212-2, 212-3, 212-4)은 각각 독립적으로 이동 가능한 구조일 수 있다. 도 12에 도시한 바와 같이, 다수의 판상형 블록(212-1, 212-2, 212-3, 212-4)의 이동 형태에 따라, 전극 시트에 레이저가 조사되는 위치 및 면적의 조절이 가능할 수 있다.
전극 제조방법
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조방법은 시트 형태의 집전체 상에, 전극 슬러리를 도포하는 코팅 단계(S110); 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 적어도 일부에 레이저를 조사하여, 레이저가 조사된 부위의 전극 슬러리를 인접 부위로 이동하도록 해, 전극 슬러리의 형상을 성형하는 성형 단계(S120); 및 전극 시트를 건조하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 성형 단계(S120)에 있어서, 전극 시트의 전극 슬러리는 고상화되지 않은 상태인 것이 바람직하다. 전극 슬러리가 완전히 건조되어 고상화된 전극 슬러리 중에는 용매 성분이 존재하지 않거나 극소량 존재하므로, 레이저를 조사하더라도 전극 슬러리의 이동이 용이하지 않고, 레이저의 광에너지가 고상화된 전극 슬러리를 열화시켜 전극 슬러리를 탈리시킬 우려가 있기 때문이다.
상기 코팅 단계(S110) 및 성형 단계(S120)는 앞에서 상세히 설명하였으므로, 중복된 설명은 생략한다.
상기 건조 단계(S130)는, 전극 시트에 열풍 공급수단 또는/및 복사열 공급 수단을 이용하여, 전극 슬러리 중의 용매를 제거하는 단계일 수 있다. 건조 단계(S130)는 리튬 이차전지용 전극의 기술 분야에서 일반적으로 알려진 기술 내용에 따라 건조가 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 성형 단계(S120)는 전극 시트의 건조 단계(S130)의 초기 이전에 수행될 수 있다.
여기서, 건조 단계의 초기란, 건조 단계를 통해 전극 슬러리 중에서 제거할 용매의 총량을 기준으로, 30% 이상, 또는 50% 이상 또는 60% 이상의 용매가 전극 슬러리 중에 남아있도록 건조 단계가 진행된 구간일 수 있다.
건조 단계의 초기에는, 전극 슬러리 중에 상당량의 용매가 아직 남아있는 상태이므로, 전극 슬러리가 이동하기 용이한 상태이므로, 본 발명에 따라 레이저를 조사하여 작업자가 원하는 형상으로 전극 형상을 성형할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 성형 단계(S120)는 전극 시트의 건조 단계(S130) 이전에 수행될 수도 있다. 즉, 코팅 단계(S110)를 마친 전극 시트에 대해 본 발명의 성형 단계(S120)를 수행한 후, 건조 단계(S120)를 수행할 수도 있다.
본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

Claims (15)

  1. 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 적어도 일부에 레이저를 조사하여, 레이저가 조사된 부위의 전극 슬러리를 인접 부위로 이동하도록 해, 전극 슬러리의 형상을 성형하는 성형 단계를 포함하는 전극 형상 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 시트의 전극 슬러리는 고상화되지 않은 상태인 전극 형상 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저는 극초단파 근적외선 레이저인 전극 형상 제어방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 성형 단계는, 레이저 모듈을 이용하여 레이저를 조사하는 과정을 포함하고,
    상기 레이저 모듈은,
    레이저를 생성하는 레이저 발진기; 및
    상기 레이저 발진기의 하방에 결합되어 있고, 레이저 발진기로부터 생성된 레이저의 적어도 일부를 통과시키는 하나 이상의 개구부를 구비하는 마스킹 부재를 포함하는 전극 형상 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 모듈은,
    상기 개구부의 위치 및 개구 면적의 조절이 가능하도록 구성된 전극 형상 제어방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 모듈은,
    전극 시트의 횡방향(TD)을 기준으로, 상기 개구부의 위치 조절이 가능하도록 구성된 전극 형상 제어방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 모듈은,
    레이저 발진기와 전극 시트 사이의 수직 거리, 마스킹 부재와 전극 시트 사이의 수직 거리, 레이저의 출력 및 상기 개구부의 개구 면적 중, 하나 이상의 조건을 제어하여 전극 슬러리의 이동량을 제어하는 전극 형상 제어방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 모듈은,
    상기 개구부의 위치 조절을 통해, 전극 슬러리의 이동 방향을 제어하는 전극 형상 제어방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스킹 부재는, 다수의 관통홀을 구비한 판상형의 부재이고,
    상기 다수의 관통홀 중의 적어도 하나 이상을 개폐하기 위하여, 상기 판상형 부재의 일측 평면상에 슬라이딩 이동 가능하도록 결합되는 개폐 부재를 포함하고,
    상기 개폐 부재에 의해 차폐되지 않은 관통홀이 상기 개구부를 형성하는 전극 형상 제어방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스킹 부재는,
    전극 시트의 횡방향을 따라 일렬 배치되는 다수의 판상형 블록;
    상기 다수의 판상형 블록 각각을 전극 시트의 횡방향을 따라 수평 이동 가능케 하는 블록 구동부를 포함하며,
    상호 인접하는 판상형 블록의 이격 공간이, 상기 개구부를 형성하는 전극 형상 제어방법.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 발진기 및 마스킹 부재 중 적어도 하나 이상은, 전극 시트의 평면에 수직한 방향을 따라 왕복 이동 가능하도록 구성된 전극 형상 제어방법.
  12. 시트 형태의 집전체 상에, 전극 슬러리를 도포하는 코팅 단계;
    전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 적어도 일부에 레이저를 조사하여, 레이저가 조사된 부위의 전극 슬러리를 인접 부위로 이동하도록 해, 전극 슬러리의 형상을 성형하는 성형 단계; 및
    전극 시트를 건조하는 건조 단계를 포함하는 전극의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전극 시트의 전극 슬러리는 고상화되지 않은 상태인 전극의 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 성형 단계는 전극 시트의 건조 단계의 초기 이전에 수행되는 전극의 제조방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 성형 단계는 전극 시트의 건조 단계 이전에 수행되는 전극의 제조방법.
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