WO2023229269A1 - 전극 제조장치 및 이를 이용한 전극 제조방법 - Google Patents

전극 제조장치 및 이를 이용한 전극 제조방법 Download PDF

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WO2023229269A1
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electrode slurry
slurry
drying
electrode sheet
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신중일
김기웅
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode manufacturing apparatus and an electrode manufacturing method using the same.
  • secondary batteries have been widely applied not only to small devices such as portable electronic devices, but also to medium-to-large devices such as battery packs of hybrid vehicles or electric vehicles or power storage devices.
  • lithium secondary batteries with high energy density and discharge voltage are used.
  • Much research has been conducted on batteries, and they have also been commercialized and widely used.
  • a secondary battery includes an electrode assembly including an anode, a cathode, and a separator, an electrolyte, and a multilayer exterior material that protects them as a body.
  • This secondary battery can be used in the form of a battery module equipped with a plurality of cells.
  • the electrode assembly is largely classified into cylindrical and plate-shaped types depending on the shape of the electrode assembly (external structure) built into the case, and is classified into jelly-roll type and stack type according to the stacked type (internal structure) of the electrode assemblies.
  • the jelly-roll type electrode assembly is made by stacking long sheet-shaped anodes and cathodes with a separator interposed between them and then winding them into a circular cross-section to form a cylindrical structure, or winding them into such a cylindrical structure and compressing them in one direction to form a cross-sectional shape. It can be made into a roughly plate-shaped structure.
  • this jelly-roll type electrode assembly is suitable for cylindrical batteries, but when applied to square or pouch type batteries, it has disadvantages such as problems with peeling off the electrode active material and low space utilization. Additionally, there is a limitation that it is difficult for the electrolyte to completely impregnate the center of the wound electrode assembly when assembling a battery.
  • the stacked electrode assembly can be made into a plate-shaped structure by cutting the anode and cathode into units of a predetermined size and sequentially stacking them with a separator interposed therebetween. Therefore, the stacked electrode assembly has the advantage of being easy to obtain a square shape, but has the disadvantage that the manufacturing process is complicated and the electrodes are pushed when an impact is applied, causing a short circuit.
  • an electrode assembly with an advanced structure is a mixture of the jelly-roll type and the stack type, and is a full cell or anode (cathode)/separator/cathode structure with a certain unit size of anode/separator/cathode.
  • a stack-folding type electrode assembly was developed by folding a bicell of a cathode (anode)/separator/anode (cathode) structure using a long continuous separation film.
  • the outer surface of the stack-folded electrode assembly is covered with a separation film, and the separation film is multilayered on the side of some full cells or bicells, so wettability is poor when impregnated with electrolyte during the battery manufacturing process. It has drawbacks. Since the electrolyte is an essential component for the operation of the battery, the low wettability of the electrolyte causes reduced battery performance and shortened lifespan.
  • the purpose of the present invention is to provide an electrode with improved wettability to an electrolyte solution when applied to a jelly-roll type and/or stack-folding type electrode assembly, and a technology for manufacturing the same.
  • the present invention in one embodiment, the present invention
  • a coating unit that applies electrode slurry to the surface of the electrode sheet transported in the horizontal and vertical directions with respect to the direction in which gravity acts;
  • It includes a drying unit for drying the applied electrode slurry
  • the coating unit includes: a first coating unit for applying a first electrode slurry to a first surface of an electrode sheet transported in a horizontal direction with respect to the direction in which gravity acts; and a second coating unit for applying the second electrode slurry to the second surface of the electrode sheet onto which the first electrode slurry is applied and transported in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts.
  • the first coating unit and the second coating unit may be applied by one or more of a slot-die coater and a slot-nozzle coater, respectively.
  • the time taken for the first coating part and the second coating part to apply the second electrode slurry to an arbitrary point included in the electrode sheet by the second coating part immediately after the first electrode slurry is applied by the first coating part can be placed in a spaced location so that it lasts less than 2 seconds.
  • the drying unit includes a first drying unit that irradiates light to the electrode slurry applied to both sides of the electrode sheet to perform primary drying; And it may include a second drying unit that applies heat to the first dried electrode slurry to second dry it.
  • the first drying unit may include an ultraviolet ray dryer, a near-infrared dryer, or a far-infrared dryer
  • the second drying unit may include one or more of a hot air dryer and a vacuum oven.
  • the present invention provides an electrode manufacturing method performed with the electrode manufacturing apparatus according to the present invention described above.
  • the electrode manufacturing method is,
  • first electrode slurry and the second electrode slurry each have a viscosity of 1,000 cps to 20,000 cps at 25°C, and at this time, the viscosity of the first electrode slurry (B 1 ) and the viscosity of the second electrode slurry (B 2 ) The ratio (B 1 /B 2 ) may be 1.5 to 10.
  • first electrode slurry and the second electrode slurry may have a solid content of 60% by weight or more.
  • the electrode sheet can be transported at a speed of 30 to 100 m/min.
  • the step of drying the electrode sheet includes a first drying step of temporarily drying the electrode slurry applied to both sides of the electrode sheet using light or wavelength; And it may include a secondary drying step of completely drying the temporarily dried electrode slurry using heat.
  • the present invention provides an electrode sheet manufactured by the electrode manufacturing apparatus according to the present invention described above.
  • the electrode sheet includes a first active material layer and a second active material layer formed on both sides, and the first active material layer and the second active material layer may have a difference in porosity.
  • the electrode manufacturing apparatus and manufacturing method according to the present invention apply the first electrode slurry to the first surface of the electrode sheet when transported in a horizontal direction with respect to the direction in which gravity acts, and transport in a vertical direction with respect to the direction in which gravity acts.
  • a second electrode slurry to the second side of the electrode sheet and then drying the electrode in two stages, both fairness and productivity can be improved when manufacturing electrodes.
  • the electrode manufactured by the electrode manufacturing apparatus and manufacturing method according to the present invention has excellent adhesion between the electrode sheet and the active material layer, and the porosity of both sides of the active material layer can be easily controlled, so that the active material layer with a different porosity of each layer can be produced in a single manufacturing process. Since it can form, there is an advantage in being able to manufacture electrodes with various porosity types.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of an electrode manufacturing apparatus according to the present invention.
  • electrode sheet may mean the electrode current collector itself, or may mean a state in which an active material layer is formed on the surface of the electrode current collector.
  • the present invention in one embodiment, the present invention
  • a coating unit that applies electrode slurry to the surface of the electrode sheet transported in the horizontal and vertical directions with respect to the direction in which gravity acts;
  • It includes a drying unit for drying the applied electrode slurry
  • a first coating unit that applies the first electrode slurry to the first surface of the electrode sheet transported in a horizontal direction with respect to the direction in which gravity acts;
  • An electrode manufacturing apparatus including a second coating unit for applying a second electrode slurry to a second surface of an electrode sheet on which the first electrode slurry is applied and transported in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts is provided.
  • FIG. 1 is a structural diagram schematically showing the structure of the electrode manufacturing apparatus 10 according to the present invention.
  • the electrode manufacturing apparatus 10 of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
  • the electrode manufacturing apparatus 10 includes a coating unit that applies electrode slurry to the sheet surface in each direction when the electrode sheet E is transported in the horizontal and vertical directions with respect to the direction in which gravity acts, It includes a drying unit for drying the applied electrode slurry.
  • the electrode sheet (E) can be transferred by a roll-to-roll type transfer unit to improve the efficiency of the electrode manufacturing process.
  • the transfer unit may have a structure in which transfer rollers 310 and 320 are disposed on the upper and/or lower surfaces of the electrode sheet (E) supplied from a winding roll (not shown) on which the electrode sheet (E) is wound.
  • at least one transfer roller 310 and 320 may be disposed on the upper and/or lower surface of the electrode sheet (E).
  • the transfer rollers 310 and 320 when they are respectively disposed on the upper and lower surfaces, they face each other on the electrode sheet at points spaced apart from each other and move in opposite directions (e.g., R: counterclockwise, R': clockwise).
  • the electrode sheet E can be transported.
  • the transport rollers 310 and 320 are positioned at the point where the coating is disposed based on the running direction (D) of the electrode sheet (E) to avoid interference with the electrode slurry applied on the electrode sheet (E). It may be located further upstream and/or downstream than the point where the dryer unit is located.
  • the winding roll (not shown) and the transfer rollers 310 and 320 are arranged so that the electrode sheet E can be transferred in a horizontal direction with respect to the direction in which gravity acts, and then changed direction during transfer to be transferred in a vertical direction. can do.
  • the first transfer roller 310 which primarily contacts the electrode sheet (E) supplied from the winding roll, is located at the bottom of the winding roll so that the electrode sheet (E) can be transferred in the direction in which gravity acts before contact. It can be located in .
  • the transfer direction of the electrode sheet E in contact with the first transfer roller 310 is changed by the first transfer roller 310.
  • the second transfer roller 320 which is in secondary contact with the electrode sheet (E) whose transfer direction has been changed, moves the electrode sheet (E) in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts after contact with the first transfer roller 310. It can be placed at a position having a height corresponding to the first transfer roller 310 so that it can be transferred. Accordingly, the electrode sheet supplied from the winding roll (not shown) can travel in a horizontal direction with respect to the direction in which gravity acts until the first transfer roller 310, and after passing the first transfer roller 310, gravity acts. You can drive in a direction perpendicular to the direction you are traveling.
  • the electrode slurry may be applied to the surface of the electrode sheet E by the coating portion while traveling in each direction.
  • the coating unit includes a first coating unit 110 that applies a first electrode slurry (S 1st ) to the first surface of the electrode sheet (E) transported in a horizontal direction with respect to the direction in which gravity acts; It includes a second coating portion 120 for applying a second electrode slurry (S 2nd ) to the second surface of the electrode sheet transported in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts.
  • the first surface of the electrode sheet (E) refers to the surface (i.e., lower surface) located on the lower side of the electrode sheet (E) when transported in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts
  • the second surface refers to the surface (i.e., lower surface) of the electrode sheet (E).
  • the other side of one side it may refer to the side located on the upper side of the electrode sheet E (i.e., the upper surface) when transported in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts.
  • the first coating unit 110 and the second coating unit 120 may be applied without particular limitation as long as they are of a type commonly applied in the industry, but specifically, one of a slot-die coater and a slot-nozzle coater, respectively. The above methods can be applied.
  • the first coating part 110 and the second coating part 120 apply electrode slurry to the surface when the electrode sheet E is continuously transported in the horizontal and vertical directions with respect to the direction in which gravity acts, respectively. In order to do this, they can be separated at a certain distance.
  • the first electrode slurry (S 1st ) applied by the first coating unit 110 is located on the lower side of the electrode sheet (E) when the electrode sheet is transported in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts. do. In this case, since gravity is applied to the first electrode slurry (S 1st ), sufficient adhesion force to the electrode sheet (E) may not be provided.
  • the first coating unit 110 and the second coating unit 120 detach and/or detach the first electrode slurry (S 1st ) when the electrode sheet (E) is transferred in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts.
  • any point included in the electrode sheet (E) is immediately coated with the first electrode slurry (S 1st ) by the first coating part 110 and then immediately after the second electrode slurry (S) by the second coating part 120. 2nd ) can be placed in spaced apart locations so that the time it takes to apply is less than 2 seconds.
  • the first coating part 110 and the second coating part 120 are formed so that the first electrode slurry (S 1st ) is applied to an arbitrary point of the electrode sheet (E) by the first coating part 110.
  • the second electrode slurry (S 2nd ) may be spaced apart so that the time it takes to apply the second electrode slurry (S 2nd ) by the second coating portion 120 is 0.1 to 1.5 seconds.
  • the electrode slurry applied by the first coating unit and the second coating unit 110 and 120 may be dried by the drying unit.
  • the drying unit may include first drying units 210a and 210b that initially temporarily dry the electrode slurry applied to both sides of the electrode sheet (E) and a second drying unit 220 that completely dries the temporarily dried electrode slurry. You can.
  • the first drying units (210a and 210b) perform temporary drying to maintain the shape of the first electrode slurry (S 1st ) of the electrode sheet (E) to which gravity is applied by preventing detachment and/or loss.
  • light or wavelength can be irradiated to the electrode slurry.
  • drying the electrode slurry is performed by applying hot air at a high temperature, but in this case, there is a problem that the drying time of the electrode slurry takes a long time.
  • the present invention applies energy to the electrode sheet without such problems by irradiating energy in the form of light or wavelength to quickly dry the first electrode slurry (S 1st ) in which gravity acts opposite to the direction in which it is applied to the electrode sheet and attached to the electrode sheet. It can be dried.
  • These first drying units (210a and 210b) may include, for example, an ultraviolet ray dryer, a near-infrared ray dryer, a far-infrared ray dryer, etc.
  • the thickness of the electrode slurry is 1 ⁇ m or more, more specifically. It may include a far-infrared dryer that emits energy with a wavelength of 5 ⁇ m or more, 10 ⁇ m or more, or 20 ⁇ m or more.
  • the far-infrared dryer has a long light or wavelength, has good energy efficiency, and can apply energy uniformly not only to the surface of the slurry but also to the inside, thereby improving the adhesion between the slurry and the electrode sheet in a short time. There are benefits to increasing it.
  • the first drying units 210a and 210b may emit energy at a power density of 50 kW/m 2 to 1,000 kW/m 2 , specifically 50 kW/m 2 to 500 kW/m 2 ; 50kW/m 2 to 250kW/m 2 ; Alternatively, energy can be released at power densities of 50 kW/m 2 and 200 kW/m 2 .
  • the present invention controls the power density of the first drying units 210a and 210b to the above range so that the first electrode slurry (S 1st ) applied to the first surface of the electrode sheet (E) is detached and/or detached when transported in the horizontal direction. Alternatively, it can be quickly dried before loss, and uneven drying of the active material layer due to excessive power density can be prevented.
  • the second drying unit 220 is a device that uniformly and completely dries the temporarily dried electrode slurry using light or wavelength, and can apply heat to the temporarily dried electrode slurry.
  • the second drying unit 220 may separately include a wall that blocks the surrounding area except for the inlet and outlet through which the electrode sheet E is introduced and exported.
  • the second drying unit 220 applies energy for drying the electrode slurry of the electrode sheet E to the surface of the electrode sheet E in the form of heat.
  • the wall can perform the function of minimizing the loss of applied heat, and for this purpose, it is preferably made of an insulating material.
  • the second drying unit 220 may be included without particular limitation as long as it is commonly applied in the industry to apply energy in the form of heat, but specifically includes a hot air dryer, a vacuum oven, etc., used alone or in combination. can do.
  • the second drying unit 220 generates an additional air flow inside the wall to flow along the surface of the electrode slurry, collects it again, and filters it, thereby filtering out the solvent components volatilized on the surface due to drying of the electrode slurry.
  • a filtering device that: It may further include a heat exchanger that recovers heat energy from the captured air flow.
  • the present invention can increase both the drying efficiency of the electrode slurry and the energy efficiency during the process by further including a filtering device and a heat exchanger in the second drying unit 220.
  • the electrode manufacturing apparatus 10 loads each electrode slurry applied to both sides of the electrode sheet (E) after the electrode slurry is applied to both sides of the electrode sheet (E) and before being dried by the drying unit. It may further include inspection units 330a and 330b for measuring the amount and/or thickness of the electrode slurry. Specifically, the inspection units 330a and 330b may include an optical system, a spectroscopy, etc. to measure or determine the thickness and/or loading amount of the electrode slurry applied to the surface of the electrode sheet E.
  • the electrode manufacturing apparatus 10 determines the drying conditions of the first drying units 210a and 210b and the second drying units 220 before drying the electrode slurry according to the results measured and/or determined by the inspection units 330a and 330b. can be controlled, and through this, the defect rate of the electrode can be lowered.
  • the electrode manufacturing apparatus 10 can increase space utilization of production equipment and improve productivity when manufacturing electrodes.
  • the electrode manufacturing apparatus 10 allows the production of electrodes with different porosity on both sides when an active material layer of the same composition is formed on the electrode sheet by selectively applying gravity to the first side of the electrode sheet when manufacturing the electrode.
  • the electrode manufactured through this can be usefully used in electrode assemblies with low electrolyte wettability, such as jelly-roll type and/or stack-folding type electrode assemblies.
  • the electrode manufacturing method consists of applying electrode slurry to both sides of the electrode sheet being transferred and drying it twice.
  • the electrode manufacturing method includes applying a first electrode slurry to the first surface of an electrode sheet transported in a horizontal direction with respect to the direction in which gravity acts; Applying a second electrode slurry to the second surface of the electrode sheet transferred in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts and onto which the first electrode slurry is applied; and drying the electrode sheet on which the first electrode slurry and the second electrode slurry are applied on both sides.
  • the step of applying the first electrode slurry when the electrode sheet is transported in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts, the side on which gravity is applied in the opposite direction to which the adhesion force of the electrode sheet and the electrode slurry acts among both sides of the electrode sheet, that is, This is the step of applying electrode slurry to the first surface.
  • the first electrode slurry applied in this process dries, it can form an active material layer having a porosity greater than the average porosity of the active material layer formed on both sides of the electrode sheet.
  • the step of applying the second electrode slurry is performed on both sides of the electrode sheet when the electrode sheet is transported in a direction perpendicular to the direction in which gravity acts, the side on which gravity is applied in the direction where the adhesion force of the electrode sheet and the electrode slurry acts, That is, this is the step of applying electrode slurry to the second surface.
  • the second electrode slurry applied in this process dries, it can form an active material layer having a porosity smaller than the average porosity of the active material layer formed on both sides of the electrode sheet.
  • the first electrode slurry and the second electrode slurry applied to both sides of the electrode sheet may have a high solid content in terms of uniformity of electrode composition and battery capacity.
  • the first electrode slurry and the second electrode slurry may each contain 60% by weight or more of solid content based on the total weight of the slurry, specifically 60 to 95% by weight; 60 to 90% by weight; 65 to 85% by weight; Or it may contain a solid content of 65 to 80% by weight.
  • first electrode slurry and the second electrode slurry may have a viscosity within a specific range.
  • the first electrode slurry and the second electrode slurry may each have a viscosity of 1,000 cps to 20,000 cps at 25°C, and more specifically, 1,000 cps to 10,000 cps each; 1,000 cps to 8,000 cps; 2,000 cps to 6,000 cps; 5,000 cps to 15,000 cps; 8,000 cps to 15,000 cps; 3,000 cps to 5,000 cps; Alternatively, it may have a viscosity of 10,000 cps to 12,000 cps.
  • the first electrode slurry and the second electrode slurry may have a constant viscosity ratio.
  • the viscosity (B 1 ) of the first electrode slurry and the viscosity (B 2 ) of the second electrode slurry may have a ratio (B 1 /B 2 ) of 1.5 to 10, specifically 1.5 to 8; 2 to 6; 2 to 4; Alternatively, it may have a ratio (B 1 /B 2 ) of 2.5 to 3.5.
  • the viscosity of the first electrode slurry and the second electrode slurry may be adjusted by controlling the solid content and/or the content of the binder in the slurry, but are not limited thereto.
  • the present invention achieves high adhesion between the first surface of the electrode sheet and the first electrode slurry by controlling the respective viscosity and viscosity ratio of the first electrode slurry and the second electrode slurry to satisfy the above range, thereby preventing the detachment and detachment of the first active material layer. Loss can be prevented, drying efficiency can be increased when drying an electrode, and an active material layer with a uniform porosity can be formed on both sides of the electrode sheet.
  • the step of drying the electrode sheet is a step of drying the electrode slurry applied to both sides of the electrode sheet, and this step may be performed in a plurality of steps.
  • the step of drying the electrode sheet includes a first drying step of temporarily drying the electrode slurry applied to both sides of the electrode sheet using light or wavelength; And it may include a secondary drying step of completely drying the temporarily dried electrode slurry using heat.
  • the drying step of the present invention is to prevent the first electrode slurry from being detached and/or lost from the first side of the electrode sheet where gravity is applied in the direction opposite to the direction in which the adhesion force of the electrode sheet and the electrode slurry acts. It includes a first drying step in which the material is temporarily dried in a short period of time by applying high energy.
  • the first drying step high energy is applied to the first electrode slurry using heat or wavelength, and energy can be applied at a power density of 50kW/m 2 to 1,000 kW/m 2 , specifically 50kW/m 2 m 2 to 500 kW/m 2 ; 50kW/m 2 to 250kW/m 2 ; Alternatively, energy can be applied at power densities of 50 kW/m 2 and 200 kW/m 2 .
  • the present invention significantly increases the molecular momentum of the solvent contained in the first electrode slurry and the second electrode slurry before the first electrode slurry is detached and/or lost by controlling the power density applied in the first drying step to the above range. Therefore, the surface temperature of each electrode slurry can be quickly dried without rapidly increasing, and uneven drying of the active material layer due to excessive power density can be prevented.
  • the secondary drying step is a step of applying heat to both sides of the electrode sheet to uniformly and completely dry the temporarily dried electrode slurry.
  • the solvent remaining in the slurry can be completely removed by applying heat using at least one type of hot air dryer or vacuum oven.
  • the temperature of the heat applied to the electrode slurry during the secondary drying step may be 150°C or higher, specifically 150 to 200°C.
  • the transfer speed of the electrode sheet in order to control the loading amount and drying speed of the electrode slurry applied to the surface of the electrode sheet, the transfer speed of the electrode sheet can be constantly controlled to satisfy a predetermined range.
  • the electrode sheet can be transported at a speed of 30 to 100 m/min, more specifically 30 to 80 m/min; Alternatively, it can be transported at a speed of 30 to 60 m/min. If the transfer speed of the electrode sheet exceeds the above range, not only does the energy density of the manufactured electrode decrease, but the time during which gravity acts on the first electrode slurry applied to the first side is significantly reduced, thereby reducing the porosity of the active material layer formed on both sides of the electrode sheet. There is a problem of not sufficiently inducing deviation.
  • An electrode for a secondary battery manufactured by the electrode manufacturing method described above is provided.
  • the electrode for a secondary battery according to the present invention is a positive or negative electrode used in a lithium secondary battery, and is manufactured by the electrode manufacturing apparatus and/or electrode manufacturing method according to the present invention described above.
  • the first electrode slurry is applied to the first surface of the electrode sheet while the electrode sheet continuously travels in the horizontal and vertical directions with respect to the direction in which gravity acts, and the first electrode slurry is transferred in the horizontal direction.
  • the electrode is dried in two steps, i) controlling the viscosity conditions of the first electrode slurry and the second electrode slurry, and ii) the electrode slurry onto which the first electrode slurry is applied before drying.
  • a technical feature is that the porosity of both sides of the active material layer is different by allowing gravity to act in the opposite direction to the adhesive force between the electrode sheet and the first electrode slurry on one side.
  • the electrode for secondary batteries according to the present invention exhibits excellent electrolyte wettability while maintaining high energy density of the electrode due to the different porosity of the active material layer provided on both sides, so it can be used in electrode assemblies such as jelly-roll type electrode assemblies or stack-folding type electrode assemblies.
  • electrolyte wettability can be easily solved depending on the structure.
  • the electrode has excellent thickness uniformity, enabling high performance such as energy density of the battery.
  • the electrode has improved electrolyte wettability and can uniformly form an electrode film on the surface during the battery activation process, which has the advantage of further improving the performance of the electrode.
  • the electrode for the secondary battery has an average porosity of 20 to 40% of the active material layer formed on both sides; Or it could be 20-30%.
  • the electrode for secondary batteries has an average porosity deviation of 1 to 10% of each active material layer formed on both sides; Or it may be 1-5%.
  • the present invention can prevent the energy density of the electrode from being reduced due to porosity and porosity deviation exceeding the above range by satisfying the porosity and average porosity deviation of the active material layer provided on both sides of the electrode within the above range. Porosity and porosity deviation can prevent the electrolyte wettability of the electrode from improving.
  • a positive electrode for a secondary battery is produced using an electrode manufacturing device including a first coating unit and a second coating unit for applying electrode slurry to both sides of an electrode sheet, and a first drying unit and a second drying unit for continuously drying the applied electrode slurry. was manufactured.
  • LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 with a particle size of 5 ⁇ m was prepared as a positive electrode active material, and polyvinylidene fluoride was mixed with N-methyl pyrrolidone (NMP) as a carbon-based conductive agent and binder.
  • NMP N-methyl pyrrolidone
  • 1 electrode slurry (solid content: 75%) and a second electrode slurry (solid content: 70%) were prepared. Afterwards, each slurry was injected into the first coating part and the second coating part, applied on both sides of the aluminum sheet, and dried to produce a positive electrode for a secondary battery.
  • the separation distance between the first coating part and the second coating part is within 1 second when the second electrode slurry is applied by the second coating part immediately after the first electrode slurry is applied by the first coating part to any point of the electrode sheet. (1 second ⁇ 0.3 seconds), and the running speed of the aluminum sheet was adjusted to 50 m/min.
  • the positive electrodes for secondary batteries produced in Examples and Comparative Examples were cut into rectangles with a width of 2.5 cm ⁇ a length of 10 cm, and a cellophane tape was attached to the surface of the first active material layer formed using the first electrode slurry. Afterwards, the uncoated portion of the electrode sheet on which the active material layer was not formed was fixed, and the stress when the cellophane tape attached to the active material layer was peeled in a 180° direction at a speed of 50 mm/min was measured. The average adhesive force between the electrode sheet and the first active material layer was obtained by performing the measurement 10 times and calculating the average value. The results are shown in Table 2 below.
  • the first active material layer formed using the first electrode slurry was separated from the positive electrodes for secondary batteries manufactured in Examples and Comparative Examples, and the weight was measured. Afterwards, the weight change compared to the solid content contained in each slurry was calculated. At this time, if the changed weight showed a negative value, it was determined that loss of the electrode active material had occurred, and the results are shown in Table 2.
  • the cross-sectional structures of the positive electrodes for secondary batteries manufactured in Examples and Comparative Examples were analyzed using a scanning electron microscope (FE-SEM, JEOL JSM-7200F) to obtain cross-sectional images.
  • FE-SEM scanning electron microscope
  • JEOL JSM-7200F scanning electron microscope
  • the thickness of five or more random active material layers was measured and the standard deviation was calculated to evaluate the uniformity of each active material layer formed on both sides of the electrode sheet. At this time, if the standard deviation value was less than 10% of the average thickness of the active material layer, it was evaluated as pass, and if it exceeded 10%, it was evaluated as fail.
  • Table 2 The results are shown in Table 2.
  • the thickness and weight per unit area of the positive electrodes for secondary batteries manufactured in Examples and Comparative Examples were measured, and the measured weight per unit area was divided by the volume obtained by multiplying the measured thickness and unit area to measure the active material layer including voids. Density was obtained. Separately, the theoretical density is obtained by multiplying the distribution amount per unit area of the components constituting the electrode (electrode active material, conductive material, binder, etc.) by each known true density value. The porosity of the active material layer was calculated from the measured density and theoretical density of the active material layer obtained using the formula below, and the results are shown in Table 2 below.
  • Porosity (%) [(theoretical density of active material layer)/(measured density of active material layer)-1] ⁇ 100
  • the electrode manufacturing apparatus and electrode manufacturing method according to the present invention not only have excellent processability and productivity for secondary batteries, but also have excellent physical properties of the manufactured electrode.
  • the positive electrode of the example according to the present invention had a high adhesive force of the first active material layer in which gravity acted in the opposite direction to the direction in which the adhesive force between the electrode sheet and the active material layer acted during manufacture, and the loss of solid content was minimal.
  • each active material layer formed on the electrode sheet had excellent thickness uniformity and a porosity of 20 to 30%.
  • the electrode of the comparative example was confirmed to have a high solid loss rate due to low adhesion between the electrode sheet and the active material layer.
  • most of the first active material layer, in which gravity acts in the direction opposite to the direction in which the adhesive force between the electrode sheet and the active material layer acts has a non-uniform or uniform thickness, but has a large deviation in porosity.
  • the electrode manufacturing apparatus and electrode manufacturing method according to the present invention not only have excellent space utilization, processability, and productivity when manufacturing electrodes, but also the manufactured electrode has excellent adhesion between the electrode sheet and the active material layer, and the electrode sheet has excellent adhesion between the electrode sheet and the active material layer.
  • the active material layer formed on both sides has the advantage of being able to manufacture electrodes with various porosity types because the porosity can be easily controlled through a one-time manufacturing process.
  • first coating part 120 second coating part

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Abstract

본 발명은 따른 전극 제조장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것으로, 상기 제조장치와 제조방법은 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송 시 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하고, 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송하는 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포한 후 전극을 2단계에 걸쳐 건조하는 구성을 가짐으로써 전극 제조 시 공정성과 생산성을 모두 향상시킬 수 있다. 또한, 제조된 전극은 전극 시트와 활물질층간 접착력이 우수하고, 전극 시트 양면에 형성된 활물질층은 1회 제조 공정으로 공극률 제어가 용이하므로 다양한 공극률 형태를 갖는 전극을 제조할 수 있는 이점이 있다.

Description

전극 제조장치 및 이를 이용한 전극 제조방법
본 발명은 전극 제조장치 및 이를 이용한 전극 제조방법에 관한 것이다.
본 출원은 2022. 05. 25일자 대한민국 특허 출원 제10-2022-0064000호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개신된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 적용되고 있으며, 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극 조립체와 전해액을 포함하고, 이들을 보호하는 다층 외장재를 몸체로 포함하고, 이러한 이차전지는 복수의 셀을 장착한 전지 모듈 형태로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 전극 조립체는 케이스에 내장되는 형태(외부 구조)에 따라 크게 원통형과 판상형으로 분류되며, 전극조립체의 적층 형태(내부 구조)에 따라 젤리-롤형과 스택형으로 분류된다.
그 중 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극을 분리막이 개재된 상태로 적층한 후, 단면상 원형으로 권취하여 원통형 구조로 만들거나, 또는 그러한 원통형 구조로 권취한 후 일측 방향으로 압축하여 단면상으로 대략 판상형인 구조로 만들 수 있다. 즉, 이러한 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 또한, 전지 조립 시 권취된 전극조립체의 중심부까지 전해질이 완전히 함침되기 어려운 한계가 있다.
반면에, 상기 스택형 전극조립체는 소정 크기의 단위로 양극과 음극을 절취한 후 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층함으로써 판상형의 구조로 만들 수 있다. 따라서, 스택형 전극조립체는 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀 셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이 셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리 필름을 사용하여 폴딩한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
그러나, 일반적으로 스택-폴딩형 전극조립체는 그것의 외면이 분리필름으로 감싸여 있고, 일부 풀셀 또는 바이셀의 측면에서 분리필름이 다층으로 존재하므로, 전지의 제조과정에서 전해액의 함침 시 젖음성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 전해액은 전지의 작동에 필수적인 구성요소이므로 전해액의 낮은 젖음성은 전지의 성능저하 및 수명단축 등을 초래한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 종래 전극에 구비된 분리막에 관통구를 도입하거나 스택-폴딩형 전극 조립체에 적층된 각 전극의 위치에 따라 전극 시트 양면에 형성된 활물질층의 공극률을 제어하는 기술들이 개발된 바 있다. 그러나, 분리막에 관통구를 도입하는 경우 단락이 유발될 수 있는 문제가 있다. 또한, 전극 표면에 형성된 활물질층의 공극률 등을 제어하는 기술은 전극의 제조 공정 상 전극 시트 기준 활물질층 위치에 따른 공극률을 개별적으로 조절하는 것이 어려운 한계가 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
대한민국 공개특허공보 제10-2007-0114412호
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0144120호
이에, 본 발명의 목적은 젤리-롤형 및/또는 스택-폴딩형 전극 조립체에 적용 시 전해액에 대한 젖음성 등을 개선된 전극 및 이를 제조하기 위한 기술을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향 및 수직 방향으로 이송되는 전극 시트의 표면에 전극 슬러리를 도포하는 코팅부; 및
도포된 전극 슬러리를 건조시키는 건조부를 포함하고,
상기 코팅부는 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송되는 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하는 제1 코팅부; 및 제1 전극 슬러리가 도포되고 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송되는 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포하는 제2 코팅부를 포함하는 전극 제조장치를 제공한다.
이때, 상기 제1 코팅부와 제2 코팅부는 각각 슬롯-다이코터 및 슬롯-노즐코터 중 하나 이상의 방식이 적용될 수 있다.
또한, 상기 제1 코팅부와 제2 코팅부는 전극 시트에 포함된 임의의 지점이 제1 코팅부에 의해 제1 전극 슬러리가 도포된 직후 제2 코팅부에 의해 제2 전극 슬러리가 도포되는데 걸리는 시간이 2초 이하가 되도록 이격된 위치에 배치될 수 있다.
아울러, 상기 건조부는 전극 시트의 양면에 도포된 전극 슬러리에 광을 조사하여 1차 건조 시키는 제1 건조부; 및 1차 건조된 전극 슬러리에 열을 가하여 2차 건조 시키는 제2 건조부를 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제1 건조부는 자외선 건조기, 근적외선 건조기 또는 원적외선 건조기를 포함하고, 상기 제2 건조부는 열풍 건조기 및 진공 오븐기 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 상술된 본 발명에 따른 전극 제조장치로 수행되는 전극 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 전극 제조방법은,
중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송되는 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하는 단계;
중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송되고 제1 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포하는 단계; 및
제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리가 양면에 도포된 전극 시트를 건조하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리는 각각 25℃에서 1,000 cps 내지 20,000 cps의 점도를 가지며, 이때의 제1 전극 슬러리의 점도(B1)와 제2 전극 슬러리의 점도(B2)의 비율(B1/B2)은 1.5 내지 10일 수 있다.
아울러, 상기 제1 전극 슬러리 및 제2 전극 슬러리는 60 중량% 이상의 고형분을 가질 수 있다.
또한, 상기 전극 시트는 30 내지 100 m/min의 속도로 이송할 수 있다.
이와 더불어, 상기 전극 시트를 건조하는 단계는 광 또는 파장을 이용하여 전극 시트의 양면에 도포된 전극 슬러리를 가건조 시키는 1차 건조 단계; 및 열을 이용하여 가건조된 전극 슬러리를 완전 건조 시키는 2차 건조 단계를 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서, 상술된 본 발명에 따른 전극 제조장치에 의해 제조되어 전극 시트를 제공한다.
상기 전극 시트는 양면에 각각 형성되는 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고, 상기 제1 활물질층 및 제2 활물질층은 공극률 차이를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 전극 제조장치 및 제조방법은 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송 시 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하고, 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송하는 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포한 후 전극을 2단계에 걸쳐 건조하는 구성을 가짐으로써 전극 제조 시 공정성과 생산성을 모두 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극 제조장치 및 제조방법에 의해 제조된 전극은 전극 시트와 활물질층간 접착력이 우수하고, 활물질층 양면의 공극률 제어가 용이하여 1회 제조 공정으로 각 층의 공극률이 상이한 활물질층을 형성할 수 있으므로 다양한 공극률 형태를 갖는 전극을 제조할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전극 제조장치의 구조를 나타낸 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 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, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 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 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
아울러, 본 발명에서 "전극 시트"란 전극 집전체 자체를 의미하거나, 또는 상기 전극 집전체 표면에 활물질층이 형성된 상태를 의미할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
전극 제조장치
본 발명은 일실시예에서,
중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향 및 수직 방향으로 이송되는 전극 시트의 표면에 전극 슬러리를 도포하는 코팅부; 및
도포된 전극 슬러리를 건조시키는 건조부를 포함하고,
상기 코팅부는,
중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송되는 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하는 제1 코팅부; 및
제1 전극 슬러리가 도포되고 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송되는 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포하는 제2 코팅부를 포함하는 전극 제조장치를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극 제조장치(10)의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다. 이하 도 1을 참고하여 본 발명의 전극 제조장치(10)를 설명한다.
본 발명에 따른 전극 제조장치(10)는 전극 시트(E)가 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향 및 수직 방향으로 이송될 때 각 방향에 따라 시트 표면에 전극 슬러리를 도포하는 코팅부를 포함하고, 도포된 전극 슬러리를 건조하는 건조부를 포함한다.
여기서, 상기 전극 시트(E)는 전극 제조 공정의 효율을 위하여 롤투롤 방식의 이송부에 의해 이송될 수 있다. 상기 이송부는 전극 시트(E)가 권취된 권취롤(미도시)로부터 공급되는 전극 시트(E)의 상면 및/또는 하면에 이송 롤러(310 및 320)가 배치된 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 적어도 1 이상의 이송 롤러(310 및 320)는 전극 시트(E)의 상면 및/또는 하면에 배치될 수 있다. 또한, 상기 이송 롤러(310 및 320)는 상면과 하면에 각각 배치된 되는 경우, 서로 이격된 지점에서 전극 시트 상에 대면한 상태로 상호 반대 방향(예컨대, R: 반시계 반향, R': 시계 방향)으로 회전함으로써, 전극 시트(E)를 이송시킬 수 있다. 또한, 상기 이송 롤러(310 및 320)들은 전극 시트(E) 상에 도포된 전극 슬러리에 대한 간섭을 회피할 수 있도록, 전극 시트(E)의 주행 방향(D)을 기준으로 코팅부가 배치된 지점보다 상류 및/또는 건조부가 배치된 지점보다 하류에 위치할 수 있다.
아울러, 상기 권취롤(미도시)과 이송 롤러(310 및 320)는 전극 시트(E)가 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송하다가 이송 도중 방향을 전환하여 수직 방향으로 이송될 수 있도록 배치할 수 있다. 구체적으로, 상기 권취롤에서 공급된 전극 시트(E)와 1차적으로 접촉하는 제1 이송 롤러(310)는 접촉 이전에는 전극 시트(E)가 중력이 작용하는 방향으로 이송될 수 있도록 귄취롤 하부에 위치할 수 있다. 아울러, 제1 이송 롤러(310)와 접촉된 전극 시트(E)는 제1 이송 롤러(310)에 의해 이송 방향이 전환된다. 이송 방향이 전환된 전극 시트(E)와 2차적으로 접촉하는 제2 이송 롤러(320)는 제1 이송 롤러(310)와 접촉 후 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 전극 시트(E)가 이송될 수 있도록 제1 이송 롤러(310)와 대응하는 높이를 갖는 위치에 배치할 수 있다. 이에 따라 권취롤(미도시)에서 공급된 전극 시트는 제1 이송 롤러(310)까지 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 주행할 수 있으며, 제1 이송 롤러(310)를 지난 이후 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 주행할 수 있다.
또한, 전극 시트(E)는 각 방향으로 주행 중 코팅부에 의해 표면에 전극 슬러리가 도포될 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅부는 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송되는 전극 시트(E)의 제1 면에 제1 전극 슬러리(S1st)를 도포하는 제1 코팅부(110)와; 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송되는 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리(S2nd)를 도포하는 제2 코팅부(120)를 포함한다. 여기서, 상기 전극 시트(E)의 제1 면은 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송 시 전극 시트(E)의 하측에 위치하는 면(즉, 하면)을 의미하고, 제2 면은 제1 면의 타면으로서 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송 시 전극 시트(E)의 상측에 위치하는 면(즉, 상면)을 의미할 수 있다.
상기 제1 코팅부(110) 및 제2 코팅부(120)는 당업계에서 통상적으로 적용되는 방식의 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 구체적으로는 각각 슬롯-다이코터 및 슬롯-노즐코터 중 하나 이상의 방식이 적용될 수 있다.
또한, 상기 제1 코팅부(110) 및 제2 코팅부(120)는 각각 전극 시트(E)가 연속적으로 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향 및 수직 방향으로 이송할 때 표면에 전극 슬러리를 도포하기 위하여 소정의 거리를 두고 이격될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 코팅부(110)에 의해 도포된 제1 전극 슬러리(S1st)는 전극 시트가 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송할 경우 전극 시트(E)의 하측에 위치하게 된다. 이 경우, 제1 전극 슬러리(S1st)는 중력이 가해지므로 전극 시트(E)와의 부착력이 충분히 부여되지 않을 수 있다. 따라서, 제1 코팅부(110)와 제2 코팅부(120)는 전극 시트(E)가 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송할 때 제1 전극 슬러리(S1st)의 탈리 및/또는 손실을 막기 위하여 전극 시트(E) 에 포함된 임의의 지점이 제1 코팅부(110)에 의해 제1 전극 슬러리(S1st)가 직후 제2 코팅부(120)에 의해 제2 전극 슬러리(S2nd)가 도포되는데 걸리는 시간이 2초 이하가 되도록 이격된 위치에 배치될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제1 코팅부(110)와 제2 코팅부(120)는 전극 시트(E)의 임의의 지점이 제1 코팅부(110)에 의해 제1 전극 슬러리(S1st)가 도포된 이후 제2 코팅부(120)에 의해 제2 전극 슬러리(S2nd)가 도포되는데 걸리는 시간이 0.1 내지 1.5초가 되도록 이격될 수 있다.
상기 제1 코팅부 및 제2 코팅부(110 및 120)에 의해 도포된 전극 슬러리는 건조부에 의해 건조될 수 있다. 상기 건조부는 전극 시트(E) 양면에 도포된 전극 슬러리를 1차적으로 가건조하는 제1 건조부(210a 및 210b)와 가건조된 전극 슬러리를 완전 건조시키는 제2 건조부(220)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 건조부(210a 및 210b)는 중력이 가해지는 전극 시트(E)의 제1 전극 슬러리(S1st)가 탈리 및/또는 손실되는 것을 방지하여 형태를 유지시키기 위한 가건조하는 장치로서, 전극 슬러리에 광 또는 파장을 조사할 수 있다. 일반적으로 전극 슬러리를 건조하는 경우 높은 온도의 열풍을 가함으로써 수행되는데, 이 경우 전극 슬러리의 건조 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위하여 열풍의 온도를 높이는 경우 슬러리 표면에서 건조되는 경향이 커지므로 용매에 높은 바인더가 용매의 이송에 따라 슬러리 표면으로 집중되는 현상(migration)이 발생되어 활물질층과 전극 시트의 부착 강도가 떨어지는 문제가 있다. 본 발명은 이러한 문제없이 전극 시트에 도포되어 전극 시트와 부착되는 방향과 반대로 중력이 작용하는 제1 전극 슬러리(S1st)의 빠른 건조를 위하여 에너지를 광 또는 파장의 형태로 조사하여 전극 슬러리를 가건조시킬 수 있다.
이러한 제1 건조부(210a 및 210b)로는 예를 들어 자외선 건조기, 근적외선 건조기, 원적외선 건조기 등을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 전극 슬러리의 균일한 건조속도를 구현하기 위하여 1㎛ 이상, 보다 구체적으로는 5㎛ 이상, 10㎛ 이상 또는 20㎛ 이상의 파장의 에너지를 방출하는 원적외선 건조기를 포함할 수 있다. 상기 원적외선 건조기는 통상적으로 당업계에서 적용되는 근적외선 건조기나 적외선과는 달리 광 또는 파장이 길어 에너지 효율이 좋고 슬러리의 표면 뿐만 아니라 내부까지 균일하게 에너지를 가할 수 있으므로 단시간에 슬러리와 전극 시트 간의 접착력을 높일 수 있는 이점이 있다.
이때, 상기 제1 건조부(210a 및 210b)는 50kW/m2 내지 1,000kW/m2의 출력 밀도로 에너지를 방출할 수 있으며, 구체적으로는 50kW/m2 내지 500kW/m2; 50kW/m2 내지 250kW/m2; 또는 50kW/m2 및 200kW/m2의 출력 밀도로 에너지를 방출할 수 있다. 본 발명은 제1 건조부(210a 및 210b)의 출력 밀도를 상기 범위로 제어함으로써 수평 방향으로 이송 시 전극 시트(E)의 제1 면에 도포된 제1 전극 슬러리(S1st)가 탈리 및/또는 손실되기 이전에 속건조시킬 수 있는 있으며, 과한 출력 밀도로 인해 활물질층의 불균일 건조가 유도되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제2 건조부(220)는 광 또는 파장에 의해 가건조된 전극 슬러리를 균일하게 완전 건조시키 는 장치로서, 가건조된 전극 슬러리에 열을 가할 수 있다.
아울러, 상기 제2 건조부(220)는 전극 시트(E)를 인입하고 반출하는 입출구를 제외한 주변을 차단하는 벽체를 별도로 포함할 수 있다. 제2 건조부(220)는 전극 시트(E)가 벽체 내부로 인입되면 전극 시트(E)의 전극 슬러리를 건조하기 위한 에너지를 열의 형태로 전극 시트(E) 표면에 가하게 된다. 여기서, 상기 벽체는 가해진 열의 손실을 최소화하는 기능을 수행할 수 있으며, 이를 위하여 단열재로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 제2 건조부(220)로는 열의 형태로 에너지를 가하기 위하여 당업계에서 통상적으로 적용되는 것이라면 특별히 제한되지 않고 포함할 수 있으나, 구체적으로는 열풍 건조기, 진공 오븐기 등을 단독으로 또는 병용하도록 포함할 수 있다.
나아가, 상기 제2 건조부(220)는 벽체 내부에 공기의 흐름을 추가적으로 발생시켜 전극 슬러리의 표면을 따라 흐르게 하고, 이를 다시 포집하여 여과함으로써 전극 슬러리의 건조로 인해 표면에 휘발된 용매 성분을 여과하는 필터링 장치와; 포집된 공기의 흐름으로부터 열 에너지를 회수하는 열 교환기를 더 포함할 수 있다. 본 발명은 제2 건조부(220)에 필터링 장치와 열 교환기를 더 포함함으로써 전극 슬러리의 건조 효율 및 공정 시 에너지 효율을 모두 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전극 제조장치(10)는 전극 시트(E)의 양면에 전극 슬러리가 도포된 이후 건조부에 의해 건조되기 이전에 전극 시트(E)의 양면에 도포된 각 전극 슬러리의 로딩량 및/또는 전극 슬러리의 두께를 측정하기 위한 검사부(330a 및 330b)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 검사부(330a 및 330b)는 광학계(optical system), 분광기(spectroscopy) 등을 포함하여 전극 시트(E) 표면에 도포된 전극 슬러리의 두께 및/또는 로딩량을 측정하거나 판단할 수 있다. 상기 전극 제조장치(10)는 검사부(330a 및 330b)에서 측정 및/또는 판단된 결과값에 따라 전극 슬러리의 건조 전에 제1 건조부(210a 및 210b)와 제2 건조부(220)의 건조 조건을 제어할 수 있으며, 이를 통해 전극의 불량률을 낮출 수 있다.
본 발명에 따른 전극 제조장치(10)는 상술된 구성을 가짐으로써 생산 설비의 공간 활용도를 높일 수 있고, 전극 제조 시 생산성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 전극 제조장치(10)는 전극 제조 시 전극 시트의 제1 면에 선택적으로 중력을 작용시켜 동일한 조성의 활물질층을 전극 시트에 형성하는 경우 양면의 공극률이 상이한 전극의 제조가 가능하므로 이를 통해 제조된 전극은 젤리-롤형 및/또는 스택-폴딩형 전극 조립체와 같이 전해질 젖음성이 낮은 전극 조립체에 유용하게 사용될 수 있다.
전극 제조방법
또한, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 전극 제조장치를 이용하여 수행되는 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전극 제조방법은 이송되는 전극 시트의 양면에 전극 슬러리를 각각 도포하고, 이를 2차에 걸쳐 건조하는 구성을 갖는다. 구체적으로, 상기 전극 제조방법은 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송되는 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하는 단계; 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송되고 제1 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포하는 단계; 및 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리가 양면에 도포된 전극 시트를 건조하는 단계;를 포함한다.
상기 제1 전극 슬러리를 도포하는 단계는 전극 시트가 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송 시 전극 시트의 양면 중 전극 시트와 전극 슬러리의 부착력이 작용하는 반대 방향으로 중력이 가해지는 면, 즉 제1 면에 전극 슬러리를 도포하는 단계이다. 이 과정에서 도포된 제1 전극 슬러리는 건조되면 전극 시트의 양면에 형성된 활물질층의 평균 공극률보다 큰 공극률을 갖는 활물질층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제2 전극 슬러리를 도포하는 단계는 전극 시트가 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송 시 전극 시트의 양면 중 전극 시트와 전극 슬러리의 부착력이 작용하는 방향으로 중력이 가해지는 면, 즉 제2 면에 전극 슬러리를 도포하는 단계이다. 이 과정에서 도포된 제2 전극 슬러리는 건조되면 전극 시트의 양면에 형성된 활물질층의 평균 공극률보다 작은 공극률을 갖는 활물질층을 형성할 수 있다.
여기서, 전극 시트의 양면에 도포되는 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리는 전극 조성의 균일성 및 전지의 용량 측면에서 높은 고형분을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리는 각각 슬러리 전체 중량 기준 60 중량% 이상의 고형분을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 60 내지 95 중량%; 60 내지 90 중량%; 65 내지 85 중량%; 또는 65 내지 80 중량%;의 고형분을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리는 특정 범위의 점도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리는 25℃에서 각각 1,000 cps 내지 20,000 cps의 점도를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 각각 1,000 cps 내지 10,000 cps; 1,000 cps 내지 8,000 cps; 2,000 cps 내지 6,000 cps; 5,000 cps 내지 15,000 cps; 8,000 cps 내지 15,000 cps; 3,000 cps 내지 5,000 cps; 또는 10,000 cps 내지 12,000 cps의 점도를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리는 일정한 점도 비율을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 전극 슬러리의 점도(B1)와 제2 전극 슬러리의 점도(B2)는 1.5 내지 10의 비율(B1/B2)을 가질 수 있으며, 구체적으로는 1.5 내지 8; 2 내지 6; 2 내지 4; 또는 2.5 내지 3.5의 비율(B1/B2)을 가질 수 있다. 이러한 제1 전극 슬러리의 점도와 제2 전극 슬러리의 점도는 고형분 및/또는 슬러리 내 바인더의 함량을 제어함으로써 조절될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리의 각 점도와 점도 비율을 상기 범위를 만족하도록 제어함으로써 전극 시트의 제1 면과 제1 전극 슬러리의 부착력을 높게 구현하여 제1 활물질층의 탈리 및 손실을 방지할 수 있고, 전극 건조 시 건조 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 공극률이 균일한 활물질층을 전극 시트 양면에 형성할 수 있다.
나아가, 상기 전극 시트를 건조하는 단계는 전극 시트 양면에 도포된 전극 슬러리를 건조시키는 단계로서, 상기 단계는 복수의 단계에 의해 수행될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 전극 시트를 건조하는 단계는 전극 시트의 양면에 도포된 전극 슬러리를 광 또는 파장을 이용하여 가건조시키는 1차 건조 단계; 및 가건조된 전극 슬러리를 열을 이용하여 완전 건조시키는 2차 건조 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 건조 단계는 전극 시트와 전극 슬러리의 부착력이 작용하는 방향의 반대 방향으로 중력이 가해지는 전극 시트의 제1 면에서 제1 전극 슬러리가 탈리 및/또는 손실되지 않도록 하기 위하여 제1 전극 슬러리를 높은 에너지를 가하여 단시간에 가건조시키는 1차 건조 단계를 포함한다.
이를 위하여, 1차 건조 단계는 열 또는 파장을 이용하여 고에너지를 제1 전극 슬러리에 가하되, 50kW/m2 내지 1,000kW/m2의 출력 밀도로 에너지를 가할 수 있으며, 구체적으로는 50kW/m2 내지 500kW/m2; 50kW/m2 내지 250kW/m2; 또는 50kW/m2 및 200kW/m2의 출력 밀도로 에너지를 가할 수 있다. 본 발명은 1차 건조 단계에서 적용되는 출력 밀도를 상기 범위로 제어함으로써 제1 전극 슬러리가 탈리 및/또는 손실되기 이전에 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리에 함유된 용매의 분자 운동량을 현저히 증가시킬 수 있으므로 각 전극 슬러리의 표면 온도를 급격히 증가시키지 않으면서 속건조시킬 수 있고, 과한 출력 밀도로 인해 활물질층의 불균일 건조가 유도되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 2차 건조 단계는 가건조된 전극 슬러리를 균일하게 완전 건조시키기 위하여 전극 시트의 양면에 열을 가하는 단계이다. 상기 2차 건조 단계는 열풍 건조기 및 진공 오븐기 중 1종 이상을 이용하여 열을 가함으로써 슬러리에 잔류하는 용매를 완전히 제거할 수 있다.
이때, 2차 건조 단계시 전극 슬러리에 가해지는 열의 온도는 150℃ 이상, 구체적으로는 150~200℃일 수 있다.
한편, 본 발명은 전극 시트 표면에 도포되는 전극 슬러리의 로딩량과 건조 속도를 조절하기 위하여 전극 시트의 이송 속도가 소정의 범위를 만족하도록 일정하게 제어될 수 있다. 구체적으로, 전극 시트는 30 내지 100 m/min의 속도로 이송할 수 있으며, 보다 구체적으로는 30 내지 80 m /min; 또는 30 내지 60 m/min의 속도로 이송할 수 있다. 전극 시트의 이송 속도가 상기 범위를 초과하는 경우 제조되는 전극의 에너지 밀도가 낮아질 뿐만 아니라 제1 면에 도포된 제1 전극 슬러리에 중력이 작용되는 시간이 현저히 줄어들어 전극 시트 양면에 형성된 활물질층의 공극률 편차를 충분히 유도하지 못하는 문제가 있다. 또한, 전극 시트의 이송 속도가 상기 범위보다 낮은 경우 전극 시트 제1 면에 도포된 제1 전극 슬러리가 건조되는데 걸리는데 상당한 시간이 소요되므로 제1 면에 마련되는 제1 활물질층의 탈리 및/또는 손실이 발생되는 한계가 있다.
제조된 이차전지용 전극
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 전극 제조방법에 의해 제조되는 이차전지용 전극을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극은 리튬 이차전지에 사용되는 양극 또는 음극으로서, 상술된 본 발명에 따른 전극 제조장치 및/또는 전극 제조방법에 의해 제조되는 것이다. 상기 전극은 제조 시 전극 시트가 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향 및 수직 방향으로 연속적으로 주행하는 동안 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하고, 수평방향으로 이송하는 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포한 후 전극을 2단계에 걸쳐 건조하되, i) 제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리의 점도 조건을 제어하고, ii) 건조 전 제1 전극 슬러리가 도포된 제1 면에 전극 시트와 제1 전극 슬러리간 부착력이 작용하는 반대방향으로 중력이 작용하도록 함으로써 활물질층의 양면 공극률이 상이한 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극은 양면에 마련된 활물질층의 공극률이 상이하여 전극의 에너지 밀도를 높게 유지하면서 우수한 전해질 젖음성을 나타내므로, 젤리-롤형 전극 조립체나 스택-폴딩형 전극 조립체와 같이 전극 조립체의 구조에 따른 전해액 젖음성을 용이하게 해결할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 전극은 두께 균일성이 우수하여 전지의 에너지 밀도 등의 성능을 높게 구현할 수 있다. 나아가, 상기 전극은 전해질 젖음성이 향상되어 전지의 활성화 공정 시 표면에 전극 피막을 균일하게 형성할 수 있으며, 이를 통해 전극의 성능을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이때, 상기 이차전지용 전극은 양면에 형성된 활물질층의 공극률이 평균 20~40%; 또는 20~30%일 수 있다. 또한, 상기 이차전지용 전극은 양면에 형성된 각 활물질층의 평균 공극률 편차가 1~10%; 또는 1~5%일 수 있다.
본 발명은 전극 양면에 마련된 활물질층의 공극률 및 평균 공극률 편차를 상기 범위로 만족시킴으로써 상기 범위를 초과하는 공극률 및 공극률 편차로 인하여 전극의 에너지 밀도가 저감되는 것을 방지할 수 있고, 상기 범위를 못 미치는 공극률 및 공극률 편차로 인해 전극의 전해질 젖음성이 개선되지 않는 것을 막을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예.
전극 시트 양면에 전극 슬러리를 도포하는 제1 코팅부 및 제2 코팅부를 구비하고, 도포된 전극 슬러리를 연속적으로 건조시키는 제1 건조부 및 제2 건조부를 구비하는 전극 제조장치를 이용하여 이차전지용 양극을 제조하였다.
구체적으로, 먼저 양극활물질로서 입자크기 5㎛인 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2를 준비하고, 카본계 도전제 및 바인더로서 폴리비닐리덴플로라이드를 N-메틸 피롤리돈(NMP)에 혼합하여 제1 전극 슬러리(고형분: 75%) 및 제2 전극 슬러리(고형분: 70%)를 제조하였다. 이후, 각 슬러리를 제1 코팅부와 제2 코팅부에 주입하고, 알루미늄 시트에 양면 도포하고 건조하여 이차전지용 양극을 제조하였다.
이때, 제1 코팅부와 제2 코팅부의 이격 거리는 전극 시트의 임의의 지점이 제1 코팅부에 의해 제1 전극 슬러리가 도포된 직후 제2 코팅부에 의해 제2 전극 슬러리가 도포되는데 1초 이내(1초±0.3초)가 되는 지점에 배치되었으며, 알루미늄 시트의 주행 속도는 50 m/min로 조절되었다.
또한, ① 제1 코팅부와 제2 코팅부의 작동 시 전극 시트의 주행 방향 (중력이 작용하는 방향 기준), ② 제1 전극 슬러리 및 제2 전극 슬러리의 25℃에서의 점도 및 ③ 제1 건조부 및 제2 건조부의 건조 방식은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
코팅부 전극 슬러리 점도 [cps] 건조 방식
제1 코팅부 제2 코팅부 제1 전극 슬러리 제2 전극 슬러리 제1 건조부 제2 건조부
실시예 1 수평방향 주행 수직방향 주행 11,000 4,000 원적외선 건조 열풍 건조
실시예 2 수평방향 주행 수직방향 주행 5,000 4,000 원적외선 건조 열풍 건조
실시예 3 수평방향 주행 수직방향 주행 50,000 4,000 원적외선 건조 열풍 건조
실시예 4 수평방향 주행 수직방향 주행 11,000 4,000 열풍 건조 열풍 건조
실시예 5 수평방향 주행 수직방향 주행 11,000 4,000 적외선 건조 열풍 건조
실시예 6 수평방향 주행 수직방향 주행 11,000 4,000 열풍 건조 원적외선 건조
비교예 1 수직방향 주행 수직방향 주행 11,000 4,000 원적외선 건조 열풍 건조
비교예 2 수평방향 주행 수평방향 주행 11,000 11,000 원적외선 건조 열풍 건조
실험예.
본 발명에 따라 제조된 이차전지용 전극의 물성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
가) 전극 시트와 제1 활물질층간의 접착력 평가
실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지용 양극들을 폭 2.5cm × 길이 10cm의 직사각형으로 재단하고, 제1 전극 슬러리를 이용하여 형성된 제1 활물질층 표면에 셀로판 테이프를 부착하였다. 그 후 활물질층이 형성되지 않은 전극 시트의 무지부를 고정하고 활물질층에 부착된 셀로판 테이프를 50mm/분의 속도로 180° 방향으로 박리했을 때의 응력을 측정했다. 측정을 10회 수행하고, 그 평균치를 산출함으로써 전극 시트와 제1 활물질층의 평균 접착력을 구하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
나) 제1 활물질층의 고형분 손실률 평가
실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지용 양극들로부터 각각 제1 전극 슬러리를 이용하여 형성된 제1 활물질층을 분리하여 중량을 측정하였다. 이후 각 슬러리에 함유된 고형분 대비 변화된 중량을 산출하였다. 이때, 변화된 중량이 음수값을 나타내면 전극 활물질의 손실이 발생한 것으로 판단하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
다) 활물질층의 두께 균일성 평가
주사 전자 현미경(FE-SEM, JEOL JSM-7200F)을 이용하여 실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지용 양극들의 단면 구조를 분석하여 단면 이미지를 수득했다. 수득된 이미지에서 5개 이상의 임의의 활물질층 두께를 측정하고 표준편차를 구하여 전극 시트 양면에 형성된 각 활물질층의 균일성을 평가하였다. 이때, 표준 편차 값이 활물질층의 평균 두께에 대하여 10% 이하이면 pass로 평가하고, 10%를 초과하면 fail로 평가하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
라) 활물질층의 공극률 평가
실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지용 양극들에 대한 단위 면적 당 두께 및 중량을 측정하고, 측정한 단위 면적당 무게를 측정한 두께 및 단위 면적을 곱하여 얻어진 부피로 나누어 공극을 포함하는 활물질층의 측정 밀도를 구하였다. 이와 별도로, 전극을 구성하는 성분 (전극활물질, 도전재, 바인더 등)의 단위 면적당 분포량에 각각의 알려진 진밀도 값을 곱하여 이론적 밀도를 구한다. 하기 식을 이용하여 구해진 활물질층의 측정 밀도와 이론적 밀도로부터 활물질층의 공극률을 산출하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
공극률(%) = [(활물질층의 이론적 밀도)/(활물질층의 측정 밀도)-1] Х 100
접착력 [N/m] 고형분 손실률 두께 균일성 공극률
제1 활물질층 제2 활물질층 제1 활물질층 제2 활물질층
실시예 1 485 ≤0.1% pass pass 29% 24%
실시예 2 289 ≥10% fail pass 22% 24%
실시예 3 388 ≥6% fail pass 36% 24%
실시예 4 267 ≥15% fail pass 32% 24%
실시예 5 436 ≤0.1% pass pass 37% 24%
실시예 6 312 ≥12% fail pass 24% 26%
비교예 1 364 ≤0.1% pass pass 41% 24%
비교예 2 459 ≤0.1% pass fail 28% 21%
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 제조장치 및 전극 제조방법은 이차전지에 공정성 및 생산성이 우수할 뿐만 아니라, 제조된 전극의 물성이 우수한 것을 알 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 실시예의 양극은 제조 시 전극 시트와 활물질층간의 접착력이 작용하는 방향과 반대 방향으로 중력이 작용한 제1 활물질층의 접착력이 높고, 고형분의 손실이 미미한 것으로 확인되었다. 또한, 전극 시트 상에 형성된 각 활물질층의 두께 균일성이 우수하고, 20~30%의 공극률을 나타내는 것을 확인되었다.
반면, 비교예의 전극은 전극 시트와 활물질층간의 접착력이 낮아 고형분 손실률이 높은 것으로 확인되었다. 아울러, 전극 시트와 활물질층간 접착력이 작용하는 방향과 반대 방향으로 중력이 작용하는 제1 활물질층의 대부분이 두께가 불균일하거나 균일하더라도 공극률의 편차가 큰 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 전극 제조장치 및 전극 제조방법은 전극 제조 시 공간 활용성이 뛰어나고, 공정성 및 생산성이 우수할 뿐만 아니라, 제조된 전극은 전극 시트와 활물질층간 접착력이 우수하고, 전극 시트 양면에 형성된 활물질층은 1회 제조 공정으로 공극률 제어가 용이하므로 다양한 공극률 형태를 갖는 전극을 제조할 수 있는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
[부호의 설명]
10: 전극 제조장치
110: 제1 코팅부 120: 제2 코팅부
210a 및 210b: 제1 건조부
211: 광 또는 파장
220: 제2 건조부
310 및 320: 이송롤러
330a 및 330b: 검사부
E: 전극 시트
D: 전극시트 주행방향
R 및 R': 이송롤러 회전방향
S1st: 제1 전극 슬러리
S2nd: 제2 전극 슬러리

Claims (12)

  1. 중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향 및 수직 방향으로 이송되는 전극 시트의 표면에 전극 슬러리를 도포하는 코팅부; 및
    도포된 전극 슬러리를 건조시키는 건조부를 포함하고,
    상기 코팅부는,
    중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송되는 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하는 제1 코팅부; 및
    제1 전극 슬러리가 도포되고 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송되는 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포하는 제2 코팅부를 포함하는 전극 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 코팅부와 제2 코팅부는 각각 슬롯-다이코터 및 슬롯-노즐코터 중 하나 이상의 방식이 적용된 전극 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 코팅부와 제2 코팅부는 전극 시트에 포함된 임의의 지점이 제1 코팅부에 의해 제1 전극 슬러리가 도포된 직후 제2 코팅부에 의해 제2 전극 슬러리가 도포되는데 걸리는 시간이 2초 이하가 되도록 이격된 위치에 배치되는 전극 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 면은 전극 시트가 중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송될 때 전극 시트의 하측에 위치하는 전극 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    건조부는,
    전극 시트의 양면에 도포된 전극 슬러리에 광 또는 파장을 조사하여 1차 건조 시키는 제1 건조부; 및
    1차 건조된 전극 슬러리에 열을 가하여 2차 건조 시키는 제2 건조부를 포함하는 전극 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 건조부는 자외선 건조기, 근적외선 건조기 또는 원적외선 건조기를 포함하고,
    제2 건조부는 열풍 건조기 및 진공 오븐기 중 1종 이상을 포함하는 전극 제조장치.
  7. 제1항에 따른 전극 제조장치로 수행되는 전극 제조방법으로서,
    중력이 작용하는 방향에 대하여 수평 방향으로 이송되는 전극 시트의 제1 면에 제1 전극 슬러리를 도포하는 단계;
    중력이 작용하는 방향에 대하여 수직 방향으로 이송되고 제1 전극 슬러리가 도포된 전극 시트의 제2 면에 제2 전극 슬러리를 도포하는 단계; 및
    제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리가 양면에 도포된 전극 시트를 건조하는 단계;를 포함하는 전극의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    제1 전극 슬러리와 제2 전극 슬러리는 25℃에서 각각 1,000 cps 내지 20,000 cps의 점도를 가지며,
    제1 전극 슬러리의 점도(B1)와 제2 전극 슬러리의 점도(B2)의 비율(B1/B2)이 1.5 내지 10인 전극의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    제1 전극 슬러리 및 제2 전극 슬러리는 60 중량% 이상의 고형분을 갖는 전극의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    전극 시트는 30 내지 100 m/min의 속도로 이송하는 전극의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    전극 시트를 건조하는 단계는,
    광 또는 파장을 이용하여 전극 시트의 양면에 도포된 전극 슬러리를 가건조 시키는 1차 건조 단계; 및
    열을 이용하여 가건조된 전극 슬러리를 완전 건조 시키는 2차 건조 단계를 포함하는 전극의 제조방법.
  12. 전극 시트; 및 상기 전극 시트의 양면에 형성되는 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고,
    상기 제1 활물질층 및 제2 활물질층은 공극률 차이를 가지며,
    제1항에 따른 전극 제조장치에 의해 제조되는 리튬 이차전지용 전극.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000090981A (ja) * 1998-09-10 2000-03-31 Japan Storage Battery Co Ltd 非水電解質電池
KR20070114412A (ko) 2006-05-29 2007-12-04 주식회사 엘지화학 구조적 안정성과 전해액의 젖음성이 우수한 전극조립체 및이를 포함하는 이차전지
KR20120031436A (ko) * 2010-09-24 2012-04-03 가부시끼가이샤 도시바 양면 도포 시공 장치 및 양면 도포 시공 방법
JP2017079180A (ja) * 2015-10-21 2017-04-27 東レエンジニアリング株式会社 電池極板の製造装置及び電池極板の製造方法
JP2019091793A (ja) * 2017-11-14 2019-06-13 旭化成株式会社 負極
CN114472082A (zh) * 2022-03-23 2022-05-13 上海兰钧新能源科技有限公司 电池极片涂布装置
KR20220064000A (ko) 2020-11-11 2022-05-18 박노흥 파인애플을 이용한 콩발효물 제조법

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000090981A (ja) * 1998-09-10 2000-03-31 Japan Storage Battery Co Ltd 非水電解質電池
KR20070114412A (ko) 2006-05-29 2007-12-04 주식회사 엘지화학 구조적 안정성과 전해액의 젖음성이 우수한 전극조립체 및이를 포함하는 이차전지
KR20120031436A (ko) * 2010-09-24 2012-04-03 가부시끼가이샤 도시바 양면 도포 시공 장치 및 양면 도포 시공 방법
JP2017079180A (ja) * 2015-10-21 2017-04-27 東レエンジニアリング株式会社 電池極板の製造装置及び電池極板の製造方法
JP2019091793A (ja) * 2017-11-14 2019-06-13 旭化成株式会社 負極
KR20220064000A (ko) 2020-11-11 2022-05-18 박노흥 파인애플을 이용한 콩발효물 제조법
CN114472082A (zh) * 2022-03-23 2022-05-13 上海兰钧新能源科技有限公司 电池极片涂布装置

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