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KR-20260060571-A - Manufacturing device of all-solid-state battery and manufacturing method of all-solid-state battery using the same

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Abstract

본 발명은 전고체 전지 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 점착 시트 상에 양극체 및 음극체를 적층하여 적층 시트를 형성하도록 구성되는 적층 유닛; 상기 적층 시트의 상하를 반전시키도록 구성되는 반전부; 상기 반전부에 의해 반전된 상기 적층 시트를 일 방향으로 이송하도록 구성되는 이송 유닛; 및 상기 이송 유닛을 통해 이송되는 상기 적층 시트를 롤 프레스하도록 구성되는 가압 유닛을 포함한다.

Inventors

  • 지대영
  • 이규문
  • 김재용
  • 정병고
  • 최상훈

Assignees

  • 삼성에스디아이 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (20)

  1. 점착 시트 상에 양극체 및 음극체를 적층하여 적층 시트를 형성하도록 구성되는 적층 유닛; 상기 적층 시트의 상하를 반전시키도록 구성되는 반전부; 상기 반전부에 의해 반전된 상기 적층 시트를 일 방향으로 이송하도록 구성되는 이송 유닛; 및 상기 이송 유닛을 통해 이송되는 상기 적층 시트를 롤 프레스하도록 구성되는 가압 유닛을 포함하는, 전고체 전지 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적층 시트는, 복수개의 가이드 홀들을 포함하고, 상기 이송 유닛은, 상기 가이드 홀과 결합되어 상기 적층 시트를 고정하기 위한 복수개의 가이드 핀들을 포함하는, 전고체 전지 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수개의 가이드 핀들 사이의 간격은 상기 복수개의 가이드 홀들 사이의 간격 보다 큰, 전고체 전지 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적층 시트는 개구부를 포함하는 가스켓 시트를 더 포함하고, 상기 양극체는 상기 개구부 내에 제공되는, 전고체 전지 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스켓 시트는 상기 개구부를 포함하는 제1 영역 및 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역은 상기 이송 유닛과 직접적으로 접촉하는, 전고체 전지 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이송 유닛은 투입 벨트를 포함하고, 상기 투입 벨트는, 상기 반전부로부터 상기 가압 유닛을 통과하여 상기 일 방향으로 연장되는, 전고체 전지 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 투입 벨트는 상기 일 방향을 따라 서로 나란히 연장되는 복수개의 투입 벨트들을 포함하는, 전고체 전지 제조 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 가스켓 시트는 복수개의 조립식 가스켓들을 포함하고, 상기 복수개의 조립식 가스켓들은 조립되어 상기 개구부를 형성하는, 전고체 전지 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가압 유닛은, 상기 적층 시트의 위 및 아래에 각각 제공되는 제1 가압 롤러 및 제2 가압 롤러를 포함하고, 상기 제1 가압 롤러 및 상기 제2 가압 롤러 중 적어도 어느 하나는 상기 적층 시트와 접촉하지 않는 단차부를 포함하는, 전고체 전지 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 가압 롤러 및 상기 제2 가압 롤러 중 상기 적어도 어느 하나는 상기 단차부를 제외한 가압부를 더 포함하고, 상기 단차부의 직경은 상기 가압부의 직경보다 작은, 전고체 전지 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 점착 시트는 점착층을 포함하고, 상기 점착층은 아크릴계 점착제, 실리콘계 점착제 및 고무계 점착제로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 전고체 전지 제조 장치.
  12. 점착 시트 상에 양극체 및 음극체를 적층하여 적층 시트를 형성하는 것; 반전부로 상기 적층 시트를 상하 반전시키는 것; 상하 반전된 상기 적층 시트를 이송 유닛에 투입하여 일 방향으로 이송하는 것; 및 상기 이송 유닛에 투입된 상기 적층 시트를 가압 롤러로 롤 프레스하는 것을 포함하는, 전고체 전지 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 적층 시트를 형성하는 것은, 상기 점착 시트 상에 가스켓 시트를 적층하는 것을 더 포함하는, 전고체 전지 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가스켓 시트는 개구부를 포함하고, 상기 개구부 내에 상기 양극체가 제공되는, 전고체 전지 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 가스켓 시트는 서로 결합된 복수개의 조립식 가스켓들을 포함하는, 전고체 전지 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 가스켓 시트는 상기 개구부를 포함하는 제1 영역 및 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역을 포함하고, 상기 가압 롤러는 상기 제2 영역을 제외한 상기 제1 영역을 선택적으로 가압하는, 전고체 전지 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 적층 시트를 상기 이송 유닛에 투입하는 것은, 상기 적층 시트의 가이드 홀에 상기 이송 유닛의 가이드 핀을 상호 결합하여 상기 적층 시트를 고정하는 것을 더 포함하는, 전고체 전지 제조 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 가압 롤러는 상기 적층 시트를 1 ton/cm 내지 4 ton/cm의 압력으로 가압하는 것인, 전고체 전지 제조 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 적층 시트를 롤 프레스하는 것은, 상기 가압 롤러를 정지시키지 않고 연속적으로 구동하여 상기 적층 시트를 가압하는 것인, 전고체 전지 제조 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 적층 시트를 롤 프레스하는 것 이후에 상기 점착 시트를 박리하는 것을 더 포함하는, 전고체 전지 제조 방법.

Description

전고체 전지 제조장치 및 이를 이용한 전고체 전지 제조방법{Manufacturing device of all-solid-state battery and manufacturing method of all-solid-state battery using the same} 본 발명은 전고체 전지 제조장치 및 이를 이용한 전고체 전지 제조방법에 관한 것이다. 최근 산업상의 요구에 의하여 에너지 밀도와 안전성이 높은 전지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들어, 리튬 이온 전지는 정보 관련 기기, 통신 기기 분야뿐만 아니라 자동차 분야에서도 실용화되고 있다. 자동차 분야에 있어서는 생명과 관계되기 때문에 특히 안전이 중요시된다. 최근에는 전해액을 고체 전해질로 대체한 전고체 전지가 제안되고 있다. 전고체 전지는 가연성 유기 분산매를 사용하지 않음으로써, 단락이 발생해도 화재나 폭발이 발생할 가능성을 크게 줄일 수 있다. 따라서 이러한 전고체 전지는 전해액을 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 크게 안전성을 높일 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 평면도이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지 제조 장치의 개념도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스켓 시트의 평면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 점착 시트의 사시도이다. 도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 점착 시트 상에 전고체 전지를 적층하는 것을 나타낸 개념도이다. 도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 점착 시트 상에 전고체 전지를 적층하는 것을 나타낸 개념도이다. 도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반전부를 나타낸 개념도이다. 도 9b 및 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 시트의 정면도이다. 도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 유닛을 나타낸 사시도 및 정면도이다. 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이송 유닛을 나타낸 개념도이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지 제조 장치의 사시도이다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지 제조 장치의 정면도이다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 평면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전고체 전지(10)는 양극층(100), 양극층(100)과 대향하는 음극층(200), 및 양극층(100)과 음극층(200) 사이에 배치되는 고체 전해질층(300)을 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 전고체 전지(10)는 양극층(100)과 고체 전해질층(300) 사이 또는 음극층(200)과 고체 전해질층(300) 사이에 배치된 추가적인 기능성층, 예컨대 접착력 향상층을 더 포함할 수 있다. 일 실시예의 양극층(100)은 양극 집전체(110) 및 양극 집전체(110) 상에 배치된 양극 활물질층(120)을 포함할 수 있다. 도시하지는 않았으나, 양극 활물질층(120)은 양극 활물질, 고체 전해질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다. 양극 집전체(110)는 양극 활물질층(120)이 배치되는 기준면을 제공할 수 있다. 양극 집전체(110)는 예를 들어 인듐(In), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 리튬(Li) 또는 이들의 합금을 포함하는 판상체(plate) 또는 호일(foil)을 포함할 수 있다. 한편, 도 1에 도시된 바와 달리, 본 발명의 일 실시예에서 양극 집전체(110)는 생략 가능하다. 도시하지는 않았으나, 양극 집전체(110)와 양극 활물질층(120)과의 결착력을 높이기 위해 양극 집전체(110)와 양극 활물질층(120) 사이에 두께 0.1㎛ 내지 4 ㎛의 카본층이 더 배치될 수도 있다. 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장(absorb) 및 방출(desorb)할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 양극 활물질은 복수개의 입자들을 포함할 수 있다. 양극 활물질은 예를 들어 리튬코발트산화물(LCO), 리튬니켈산화물(Lithium nickel oxide), 리튬니켈코발트산화물(lithium nickel cobalt oxide), 리튬니켈코발트알루미늄산화물(NCA), 리튬니켈코발트망간산화물(NCM), 리튬망간산화물(lithium manganate), 리튬인산철산화물(lithium iron phosphate) 등의 리튬전이금속산화물, 황화 니켈, 황화구리, 황화 리튬, 산화철, 또는 산화 바나듐(vanadium oxide) 등을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않는다. 양극 활물질은 각각 단독이거나, 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 리튬전이금속산화물은 예를 들어, LiaA1-bBbD2(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5), LiaE1-bBbO2-cDc(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05), LiE2-bBbO4-cDc(0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05), LiaNi1-b-cCobBcDα(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2), LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2), LiaNi1-b-cMnbBcDα(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2), LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2), LiaNibEcGdO2(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1), LiaNibCocMndGeO2(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1), LiaNiGbO2(0.9≤a≤1, 0.001≤b≤0.1), LiaCoGbO2(0.90≤a≤1, 0.001≤b≤0.1), LiaMnGbO2(0.90≤a≤1, 0.001≤b≤0.1), LiaMn2GbO4(0.90≤a≤1, 0.001≤b≤0.1), QO2, QS2, LiQS2, V2O5, LiV2O5, LiIO2, LiNiVO4, Li3-fJ2(PO4)3(0≤f≤2), Li3-fFe2(PO4)3(0≤f≤2), LiFePO4 중 어느 하나로 표현되는 화합물이다. 이러한 화합물에서, 대문자 “A”는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고, 대문자 “B”는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고, 대문자 “D”는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고, 대문자 “E”는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고, 대문자 “F”는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고, 대문자 “G”는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고, 대문자 “Q”는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고, 대문자 “I”는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이고, 대문자 “J”는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다. 양극 활물질은, 예를 들어, 상술한 리튬전이금속산화물 중 층상암염형(layered rock salt type) 구조를 갖는 전이금속산화물의 리튬염을 포함할 수 있다. "층상 암염형 구조"는 예를 들어 입방정 암염형(cubic rock salt type) 구조의 <111> 방향으로 산소 원자층과 금속 원자층이 교대로 규칙적으로 배열하고, 이에 의하여 각각의 원자층이 이 차원 평면을 형성하고 있는 구조이다. "입방정 암염형 구조"는 결정 구조의 일종인 염화나트륨형(NaCl type) 구조를 나타내며, 구체적으로는 양이온 및 음이온 각각이 형성하는 면심 입방 격자(face centered cubic lattice, fcc)가 서로 단위 격자(unit lattice)의 능(ridge)의 1/