KR-20260061594-A - Dry Electrode Material Mixing Device For All-Solid-State Batteries

Abstract

전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치는 건식전극재료를 투입하기 위한 투입구 및 건식전극재료를 분쇄하기 위한 분쇄공간이 형성된 믹싱챔버, 믹싱챔버에 회전 가능하게 결합되는 믹싱툴, 믹싱챔버의 분쇄공간으로 초음파를 출력하는 초음파 가진기를 포함한다.

Inventors

• 이재학
• 이동윤

Assignees

• 한국생산기술연구원

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (16)

1. 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치에 있어서, 상기 건식전극재료를 투입하기 위한 투입구 및 상기 건식전극재료를 분쇄하기 위한 분쇄공간이 형성된 믹싱챔버; 상기 믹싱챔버에 회전 가능하게 결합되는 믹싱툴; 상기 믹싱챔버의 분쇄공간으로 초음파를 출력하는 초음파 가진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 믹싱툴은, 상기 믹싱챔버에 회전 가능하게 결합되는 회전축; 및 상기 회전축의 길이방향을 따라 복수의 영역에 결합되며, 상기 건식전극재료를 분쇄하기 위한 형상을 갖는 복수의 분쇄날을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 초음파 가진기의 초음파 출력으로 인하여 상기 복수의 분쇄날이 상기 회전축 방향으로 소정 범위를 갖고 초음파진동되는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
4. 제3 항에 있어서, 상기 복수의 분쇄날 중 적어도 하나는 상기 회전축에 상기 회전축의 회전축선에 대하여 경사지게 결합되는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
5. 제1 항에 있어서, 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게를 감지하는 무게감지센서; 상기 회전축을 회전 구동하는 회전구동부; 및 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 따른 상기 복수의 분쇄날의 정상회전속도와 상기 복수의 분쇄날의 정상회전속도에 대응한 상기 초음파 가진기의 정상초음파출력세기를 저장하며, 상기 무게감지센서로부터 감지되는 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 기초하여 상기 복수의 분쇄날이 해당 정상회전속도로 회전되면서 해당 정상초음파출력세기로 초음파가 출력되도록 상기 회전구동부와 상기 초음파 가진기를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
6. 제5 항에 있어서, 상기 믹싱챔버를 회전 가능하게 지지하는 챔버지지부; 및 상기 믹싱챔버를 회전 구동하는 챔버회전구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
7. 제6 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 따른 상기 믹싱챔버의 정상회전방향 및 정상회전속도범위를 저장하며, 상기 무게감지센서로부터 감지되는 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 기초하여 상기 믹싱챔버가 회전되도록 상기 챔버회전구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
8. 제7 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 믹싱챔버가 상기 복수의 분쇄날의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전되도록 상기 챔버회전구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
9. 제8 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 믹싱챔버가 상기 복수의 분쇄날의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전되는 경우 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 따른 상기 믹싱챔버의 정상역방향회전속도범위를 저장하며, 상기 무게감지센서로부터 감지되는 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 기초하여 상기 믹싱챔버가 상기 복수의 분쇄날의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전되도록 상기 챔버회전구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
10. 제7 항에 있어서, 사용자의 명령을 입력하기 위한 사용자입력부를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 복수종류의 상기 건식전극재료의 복수의 비율 각각에 대한 상기 복수의 분쇄날의 정상회전속도 및 상기 믹싱챔버의 정상회전속도를 저장하며, 상기 사용자입력부로 입력되는 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 복수종류의 상기 건식전극재료의 비율에 기초하여 상기 회전구동부 및 상기 챔버회전구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합장치.
11. 전고체배터리용 건식전극재료 혼합방법에 있어서, 상기 건식전극재료를 투입하기 위한 투입구 및 상기 건식전극재료를 분쇄하기 위한 분쇄공간이 형성된 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 따른 복수의 분쇄날의 정상회전속도와 상기 복수의 분쇄날의 정상회전속도에 대응한 정상초음파출력세기를 저장하는 단계; 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게를 감지하는 단계; 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 기초하여 상기 복수의 분쇄날을 해당 정상회전속도로 회전시키는 단계; 및 상기 복수의 분쇄날의 해당 정상회전속도에 대응한 초음파를 해당 정상초음파출력세기로 출력시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 따른 상기 믹싱챔버의 정상회전방향 및 정상회전속도범위를 저장하는 단계; 및 감지되는 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 기초하여 상기 믹싱챔버를 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 믹싱챔버가 상기 복수의 분쇄날의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 믹싱챔버가 상기 복수의 분쇄날의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전되는 경우 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 따른 상기 믹싱챔버의 정상역방향회전속도범위를 저장하는 단계; 및 상기 무게감지센서로부터 감지되는 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 상기 건식전극재료의 무게에 기초하여 상기 믹싱챔버가 상기 복수의 분쇄날의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합방법.
15. 제11항에 있어서, 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 복수종류의 상기 건식전극재료의 복수의 비율 각각에 대한 상기 복수의 분쇄날의 정상회전속도 및 상기 믹싱챔버의 정상회전속도를 저장하는 단계; 및 입력되는 상기 믹싱챔버 내의 분쇄공간에 투입되는 복수종류의 상기 건식전극재료의 비율에 기초하여 상기 믹싱챔버와 상기 복수의 분쇄날을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합방법.
16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항의 전고체배터리용 건식전극 재료 혼합방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 전고체배터리용 건식전극재료.

Description

전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치{Dry Electrode Material Mixing Device For All-Solid-State Batteries} 본 발명은 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전고체배터리용 건식전극재료를 고속회전 및 초음파 가진을 통한 고에너지 기계적 분쇄방식으로 분쇄 혼합하는 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치에 관한 것이다. 전기자동차의 리튬이온 배터리가 갑자기 폭발하거나 기온이 낮은 동절기에 최대용량이 급감하, 이를 해결할 수 있는 차세대 배터리의 개발 필요성이 크게 증대되고 있다. 액체전해질을 활용하는 리튬이온 배터리는 분리막이 손상될 시 양극과 음극이 맞닿아 합선(Short)되어 발생하는 폭발위험성이 높고 저온에서 이온전도도 급감으로 용량도 크게 감소했으나 전고체 배터리는 이와 같은 단점을 모두 해결할 수 있다. 리튬이온 배터리는 전극 내부에 빈공간이 있더라도 액체전해질이 파고들어 접촉할 수 있으나 유동성이 없는 전고체 배터리의 고체전해질은 전극-전해질이 접촉할 수 있도록 빈공간 없는 밀도 높은 전극구조가 필요하다. 건식공정은 전 제조과정에서 용매 없이 용질의 혼합 및 압연만을 활용하므로 기존 습식전극 대비 밀도 높은 전극 구조를 얻을 수 있어 전극-전해질 접촉면적이 크게 증가하고 공동(void)이 없어 전고체 배터리용으로 보다 적합한 전극구조를 얻을 수 있다. 전고체 배터리용 건식전극 제조 공정 중 가장 중요한 단계는 재료혼합(Mixing)단계이며 강한 외력으로 전극재 및 전해질이 균일하게 혼합되는 것이 중요하다. 전고체 배터리용 건식전극 혼합은 총 4종의 이종재료 파우더(전극재 3종(활물질/도전재/바인더 및 고체전해질)가 용매 없이 균일하게 혼합되어 양극-전해질 복합체를 구성해야 하므로 혼합공정의 난이도가 높다. 최근 연구에서는 건식전극재료에 가해지는 외력을 최대화하기 위해 기존 습식전극용 슬러리 혼합에 사용되는 볼밀(Ball Mill) 장비 대신 회전형 블레이드(Blade)를 활용하는 형태의 전단믹서(Shear Mixer)를 건식전극 혼합 공정에 활용하려는 시도가 있다. 도 1은 전고체배터리 제조의 습식공정과 건식공정의 예시도이다. 도 2는 본 발명에 따른 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치의 예시도이다. 도 3은 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치를 이용한 혼합 예시도이다. 도 4는 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치의 가공방법, 공구 및 가공조건의 예시도이다. 도 5는 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치의 측면도이다. 도 6과 도7은 볼밀과 전단밀로 제조된 건식전극재료의 예시도이다. 도 8은 볼밀과 전단밀로 제조된 건식전극재료의 전기화학시험 예시도이다. 도 9는 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치의 제어블록도이다. 이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치(1)를 상세히 설명한다. 먼저, 도 1은 전고체배터리 제조의 습식공정과 건식공정의 예시도이다. 도 1 (a) 전고체배터리를 제조하는 습식공정으로 용매(b)가 증발하여 전극재료(a)와 전극재료(a) 사이에 공동이 발생하고 있으며, 이로 인한 이온이동경로(d)가 불규칙하게 이동하는 것을 나타내고 있다. 도 1 (b) 전고체배터리를 제조하는 건식공정으로 전극재료(a)와 전해질(c)이 균일하게 유기적으로 혼합되어 있으며, 이로 인하여 이온이동경로(d)가 규칙적으로 이동하는 것을 나타내고 있다. 전극재료(a)와 전해질(c)의 접촉면적이 증가하면서 이온이동경로가 습식공정에 비하여 감소하였으며, 공동이 발생하지 않으므로 전극이 고밀도화되었다. 도 2는 본 발명에 따른 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치(1)의 예시도이고, 도 3은 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치(1)를 이용한 혼합 예시도이며, 도 4는 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치(1)의 가공방법, 공구 및 가공조건의 예시도이고, 도 5는 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치(1)의 측면도이며, 도 6과 도 7은 볼밀과 전단밀로 제조된 건식전극재료의 예시도이고, 도 8은 볼밀과 전단밀로 제조된 건식전극재료의 전기화학시험 예시도이며, 도9는 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치(1)의 제어블록도이다. 도 2 내지 도 9를 참조하여 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치(1)의 구성을 설명한다. 전고체배터리용 건식전극재료 혼합장치(1)는 믹싱챔버(10), 믹싱툴(20), 초음파 가진기(30), 무게감지센서(40), 회전구동부(50), 챔버지지부(60), 챔버회전구동부(70), 사용자입력부(80) 및 제어부(90)를 포함한다. 믹싱챔버(10)는 건식전극재료를 분쇄하기 위한 분쇄공간이 형성된다. 믹싱챔버(10)는 챔버본체(11), 투입구(12) 및 초음파 가진기 결합공(13)을 포함한다. 챔버본체(11)는 믹싱챔버(10)를 구성하는 외형틀이며, 건식전극재료를 분쇄하기 위한 분쇄공간이 형성되는 틀이다. 투입구(12)는 챔버본체(11) 외측과 내측이 연통되도록 형성되며, 챔버본체(11) 분쇄공간으로 건식전극재료를 투입하는 입구이다. 초음파가진기 결합공(13)은 후술할 초음파 가진기(30)가 챔버본체(11)에 결합되기 위한 결합공이다. 믹싱툴(20)은 믹싱챔버(10)에 회전 가능하게 결합되며, 믹싱챔버(10) 내의 분쇄공간에 배치되어 믹싱챔버(10)에 대하여 회전되어 믹싱챔버(10) 내의 분쇄공간으로 투입되는 전고체배터리용 건식전극재료를 분쇄한다. 믹싱툴(20)은 회전축(21) 및 분쇄날(22)을 포함한다. 회전축(21)은 믹싱챔버(10)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 분쇄날(22)은 회전축(21)의 길이방향을 따라 복수의 영역에 결합되며, 건식전극재료를 분쇄하기 위한 형상을 갖는다. 분쇄날(22)은 날카로운 칼날부분이 전방측으로 하여 회전되어 전고체배터리용 건식전극재료를 자르고 혼합한다. 복수의 분쇄날(22) 중 적어도 하나는 회전축(21)에 회전축(21)의 회전축선에 대하여 경사지게 결합될 수 있다. 초음파 가진기(30)는 믹싱챔버(10)의 분쇄공간으로 초음파를 출력한다. 초음파 가진기(30)는 초음파를 생성할 수 있으며, 생성된 초음파를 회전축(21) 및 분쇄날(22) 중 적어도 하나로 출력하여 진동이 되도록 하며 분쇄날(22)이 회전축(21)의 길이방향으로 진동폭을 갖고 진동되도록 할 수 있다. 이에 의해 분쇄날(22)이 전고체배터리용 건식전극재료를 분쇄하는 영역이 증가하면서 분쇄효율이 증가할 수 있다. 초음파 가진기(30)의 초음파 출력으로 인하여 복수의 분쇄날(22)이 회전축 방향으로 소정 범위를 갖고 초음파진동될 수 있다. 무게감지센서(40)는 믹싱챔버(10) 내의 분쇄공간에 투입되는 건식전극재료의 무게를 감지할 수 있다. 회전구동부(50)는 회전축(21)을 회전 구동할 수 있다. 회전구동부(50)는 감속기와 회전모터로 구성될 수 있으며, 이에 의해 회전속도를 상세하게 조절할 수도 있다. 회전구동부(50)는 복수의 분쇄날(22)이 고속으로 회전될 수 있도록 하는 고속회전모터로 이루어질 수 있다. 챔버지지부(60)는 믹싱챔버(10)를 회전 가능하게 지지할 수 있다. 챔버지지부(60)는 회전축(21)의 길이방향 믹싱챔버(10) 양측에 회전 가능하게 결합될 수 있으며, 챔버지지부(60)가 지지한 상태에서 믹싱챔버(10)가 회전되도록 한 상태에서 고정 지지되도록 할 수 있다. 챔버회전구동부(70)는 믹싱챔버(10)를 회전 구동할 수 있다. 챔버회전구동부(70)는 감속기와 회전모터로 구성될 수 있으며, 이에 의해 회전속도를 상세하게 조절할 수도 있다. 챔버회전구동부(70)는 믹싱챔버(10)가 저속으로 회전될 수 있도록 하는 저속회전모터로 이루어질 수 있다. 사용자입력부(80)는 사용자의 명령을 입력하기 위한 입력수단으로 이루어질 수 있다. 사용자입력부(80)는 사용자의 터치입력 또는 리모트 컨트롤러(remote controller)를 이용한 사용자의 원격입력을 수신하여 해당 제어부(90)로 전달할 수 있다. 또한, 사용자입력부(80)는 사용자가 발화하는 음성입력을 수신하여 그 음성신호를 제어부(90)로 전달할 수 있다. 그 경우 사용자입력부(80)는, 예를 들어, 마이크로 구현될 수 있다. 사용자입력부(80)는 수신한 음성신호에 대한 신호처리를 자체적으로 수행할 수도 있다. 다만, 사용자입력부(80)가 수신 가능한 사용자 입력에 형태는 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 모션 인식 등을 통한 사용자 입력 등도 수신할 수 있다. 제어부(90)는 믹싱챔버(10) 내의 분쇄공간에 투입되는 건식전극재료의 무게에 따른 복수의 분쇄날(22)의 정상회전속도와 복수의 분쇄날(22)의 정상회전속도에 대응한 초음파 가진기(30)의 정상초음파출력세기를 저장하며, 무게감지센서(40)로부터 감지되는 믹싱챔버(10) 내의 분쇄공간에 투입되는 건식전극재료의 무게에 기초하여 복수의 분쇄날(22)이 해당 정상회전속도로 회전되면서 해당 정상초음파출력세기로 초음파가 출력되도록 회전구동부(50)와 초음파 가진기(30)를 제어할 수 있다. 제어부(90)는 믹싱챔버(11) 내의 분쇄공간에 투입되는 건식전극재료의 무게에 따른 믹싱챔버(11)의 정상회전방향 및 정상회전속도범위를 저장하며, 무게감지센서(40)로부터 감지되는 믹싱챔버(11) 내의 분쇄공간에 투입되는 건식전극재료의 무게에 기초하여 믹싱챔버(11)가 회전되도록 챔버회전구동부(70)를 제어할 수 있다. 제어부(90)는 믹싱챔버(10)가 복수의 분쇄날(22)의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전되도록 챔버회전구동부(70)를 제어할 수 있다. 제어부(90)는 믹싱챔버(10)가 복수의 분쇄날(22)의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전되는 경우 믹싱챔버(10) 내의 분쇄공간에 투입되는 건식전극재료의 무게에 따른 믹싱챔버(10)의 정상역방향회전속도범위를 저장하며, 무게감지센서(40)로부터 감지되는 믹싱챔버(10) 내의 분쇄공간에 투입되는 건식전극재료의 무게에 기초하여 믹싱챔버(10)가 복수의 분쇄날(22)의 회전 방향에 대한 역방향으로 회전되도록 챔버회전구동부(70)를 제어할 수 있다. 제어부(90)는 믹싱챔버(10) 내의 분쇄공간에 투입되는 복수종류의 건식전극재료의 복수의 비율 각각에 대한 복수의 분쇄날(22)의 정상회전속도 및 믹싱챔버(