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KR-20260061684-A - ELECTRODE, MANUFACTURING METHOD AND DEVICE OF THEREOF

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Abstract

본 발명의 전극 제조장치는, 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 하나 이상의 제1 가열부; 및 상기 제1 가열부를 통과한 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열함과 동시에 압연하여 두께를 조절하는 가압부를 포함하며, 상기 제1 가열부는, 전원인가시 발열하면서 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 제1 열전소자를 포함할 수 있다.

Inventors

  • 김민선

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (14)

  1. 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 하나 이상의 제1 가열부; 및 상기 제1 가열부를 통과한 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열함과 동시에 압연하여 두께를 조절하는 가압부를 포함하며, 상기 제1 가열부는, 전원인가시 발열하면서 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 제1 열전소자를 포함하는 전극 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 가열부는, 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체에 근접하는 제1 지지롤러를 포함하고, 상기 제1 열전소자는, 상기 제1 지지롤러에 구비되면서 상기 제1 지지롤러에 근접한 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 전극 제조장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 열전소자는, 상기 제1 지지롤러의 외주면을 감싸는 필름 형태로 구비되는 전극 제조장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 가열부는, 상기 가압부 보다 낮은 온도를 가지는 전극 제조장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 가압부를 통과한 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 상기 제1 가열부 보다 낮은 온도를 가열하는 하나 이상의 제2 가열부를 더 포함하며, 상기 제2 가열부는, 전원인가시 발열하면서 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 상기 제1 가열부 보다 낮은 온도를 가열하는 제2 열전소자를 포함하는 전극 제조장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제2 가열부는, 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체에 근접하는 제2 지지롤러를 포함하며, 상기 제2 열전소자는, 상기 제2 지지롤러에 구비되면서 상기 제2 지지롤러에 근접한 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 전극 제조장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제2 열전소자는, 상기 제2 지지롤러의 외주면을 감싸는 필름 형태로 구비되는 전극 제조장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 열전소자와 상기 제2 열전소자의 온도를 제어하는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제2 열전소자의 온도가 상기 제1 열전소자의 온도 보다 항상 낮은 온도를 유지되도록 제어하는 전극 제조장치.
  9. (a) 전극 활물질이 코팅된 집전체를 이송하는 단계; (b) 제1 가열부를 이용하여 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 단계; 및 (c) 가압부를 이용하여 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열함과 동시에 압연하여 두께를 조절하는 단계를 포함하며, 상기 (b) 단계에서 상기 제1 가열부는, 전원인가시 발열하는 제1 열전소자를 이용하여 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 전극 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 가열부는, 상기 가압부 보다 낮은 온도로 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 전극 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서, (c) 단계 후, (d) 제2 가열부를 이용하여 상기 가압부를 통과한 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 상기 제1 가열부 보다 낮은 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 전극 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 제2 가열부는, 전원인가시 발열하는 제2 열전소자를 이용하여 상기 제1 가열부 보다 낮은 온도로 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 가열하는 전극 제조방법.
  13. (d) 단계 후, (e) 상기 전극 활물질이 코팅된 집전체를 설정 크기로 커팅하여 전극을 제조하는 단계를 더 포함하는 전극 제조방법.
  14. 청구항 13에 따른 전극 제조방법에 의해 제조된 전극.

Description

전극, 그의 제조장치 및 제조방법{ELECTRODE, MANUFACTURING METHOD AND DEVICE OF THEREOF} 본 발명은 전극, 그의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 열간 압연 공정시 전극 활물질이 코팅된 집전체의 외부 및 내부 온도차이를 최소화함으로써 균열 및 변형을 방지할 수 있는 전극, 그의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다. 일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말한다. 이러한 이차전지는 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 상기 이차전지는 전극 조립체의 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 일례로 이차전지는 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조, 스택/폴딩형 구조로 분류될 수 있다. 즉, 상기 이차전지는 전극조립체, 전해액, 전극조립체와 전해액을 수용하는 케이스를 포함한다. 그리고 상기 전극조립체는 하나 이상의 기본단위체를 포함하고, 상기 기본단위체는 분리막이 개재된 상태로 복수의 전극이 교대로 배치되는 구조를 가진다. 여기서 복수의 전극은 양극 및 음극일 수 있다. 한편, 상기 이차전지 제조방법은 전극 공정, 조립 공정, 활성화 공정을 포함한다. 특히, 상기 전극 공정은 집전체에 전극 활물질을 코팅하는 코팅 과정, 상기 집전체에 코팅된 전극 활물질을 열간 압연하여 전극을 제조하는 압연 과정을 포함한다. 여기서 최근에는 고용량 이차전지를 요구하고 있으며, 이에 따라 높은 용량 구현을 위해 상기 집전체에 코팅된 전극 활물질의 양을 증대하고 있다. 그러나 종래의 압연과정은, 전극 활물질이 두껍게 코팅된 전극을 압연할 경우 상기 전극 활물질의 입자가 깨지면서 균열 및 변형이 발생할 수 있고, 이에 따라 이차전지 성능에 악영향을 주는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 전극 활물질이 코팅된 집전체를 압연하는 압연롤러에 열을 가하여 압연하는 열간 압연과정이 개발되었다. 그러나 종래의 열간 압연과정은 압연롤러에 히팅 기능을 추가한 것이기 때문에 전극 활물질이 코팅된 집전체의 외부에만 열을 가하게 되며, 이에 따라 전극 활물질이 코팅된 집전체의 외부와 내부 온도차이 크게 발생하면서 전극 활물질에 균열이 발생하거나 또는 전극에 변형이 발생하는 문제점이 있었다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극을 도시한 측면도. 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 제조장치를 도시한 공정도. 도 3은 제1 가열부를 도시한 측면도. 도 4는 제2 가열부를 도시한 측면도. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 제조방법을 나타낸 순서도. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 본 발명의 이차전지는 전극조립체, 전극조립체를 수용하는 케이스를 포함하며, 상기 전극조립체는 분리막이 개재된 상태로 복수의 전극이 배치되는 구조를 가진다. 여기서 전극은 양극 및 음극일 수 있다. 즉, 분리막이 개재된 상태로 양극과 음극이 교대로 배치되는 구조를 가진다. 한편, 본 발명은 이차전지의 구성 중 전극에 관한 것이며, 특히 본 발명은 전극의 열간 압연 과정에서 변형 및 균열 발생을 방지할 수 있고, 이에 따라 고품질의 전극 및 이차전지를 제조할 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전극, 그의 제조장치 및 제조방법을 상세히 설명한다. [본 발명의 제1 실시예에 따른 전극] 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극을 도시한 측면도이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극(1)은 도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 집전체(2)와, 상기 집전체(2)의 표면에 코팅되는 전극 활물질(3)을 포함한다. 집전체 상기 집전체(2)는 도전성을 가진 소재로 마련된다. 예로, 집전체는 음극 집전체와 양극 집전체를 포함한다. 상기 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 그리고 양극 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 전극 활물질 상기 전극 활물질(3)은 전극 슬러리, 도전재 및 고분자 바인더 수지를 포함한다. 예로 전극 활물질은 음극 슬러리와 양극 슬러리를 포함한다. 여기서 음극 슬러리와 양극 슬러리는 공지된 기술로, 자세한 설명은 생략한다. 이와 같은 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극(1)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 제조장치를 이용하여 제조된다. 특히 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 제조장치는 열전소자를 이용함으로써 전극의 열간 압연시 전극 활물질(3)의 외부와 내부 온도 편차를 최소화할 수 있고, 이에 따라 전극의 변형 및 균열 발생을 방지할 수 있고, 그 결과 고품질의 전극(1)을 제조할 수 있다. 이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 제조장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. [본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 제조장치] 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 제조장치를 도시한 공정도이고, 도 3은 제1 가열부를 도시한 측면도이며, 도 4는 제2 가열부를 도시한 측면도이다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 제조장치(10)는 도 2 내지 도 4에 도시되어 있는 것과 같이, 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)를 가열하는 하나 이상의 제1 가열부(11); 및 상기 제1 가열부(11)를 통과한 상기 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)를 가열함과 동시에 압연하여 두께를 조절하는 가압부(12)를 포함한다. 제1 가열부 제1 가열부(11)는, 전원 인가시 발열 작용을 하면서 상기 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)를 가열하고, 펠티어 효과(Peltier effect)를 나타내는 제1 열전소자(112)를 포함한다. 한편, 제1 열전소자(112)는, 열전소자(TED; thermoelement)라고도 하며, 열과 전기의 상호 작용으로 나타나는 열전 효과를 이용하는 반도체 소자를 말한다. 특히 열전소자는 펠티어 효과에 의한 발열을 이용함으로써 집전체(2)에 코팅된 전극 활물질(3)의 전체 표면을 균일하게 가열할 수 있다. 즉, 집전체(2)에 코팅된 전극 활물질(3)의 전체를 균일한 온도로 가열할 수 있다. 여기서 상기 펠티어 효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트·텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열·발열 작용을 하는 펠티에소자를 얻을 수 있다. 이것은 전류 방향에 따라 흡열·발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열·발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉동기 또는 상온 부근의 정밀한 항온조(恒溫槽) 제작에 응용한다. 이에 따라 제1 가열부(11)는 제1 열전소자(112)를 포함함으로써 집전체(2)에 코팅된 전극 활물질(3)을 안정적으로 가열할 수 있고, 특히 전극 활물질(3)의 외부와 내부의 온도 편차를 최소화할 수 있다. 한편, 제1 가열부(11)는 상기 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)에 근접하는 제1 지지롤러(111)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 열전소자(112)는, 상기 제1 지지롤러(111)에 구비되면서 상기 제1 지지롤러(111)에 근접한 상기 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)를 가열할 수 있다. 즉 상기 제1 열전소자(112)는 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)를 직접 가열할 수 있어 가열성을 높일 수 있다. 특히, 상기 제1 열전소자(112)는, 상기 제1 지지롤러(111)의 외주면을 감싸는 필름 형태로 구비될 수 있다. 이에 따라 상기 제1 지지롤러(111)를 통과하는 전극 활물질(3) 전체를 균일하게 가열할 수 있다. 한편, 상기 제1 가열부(11)는, 상기 가압부(12) 보다 낮은 온도를 가질 수 있으며, 이는 가압부(12) 보다 낮은 온도로 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)를 예열함으로써 전극 활물질(3)의 온도가 순간적으로 급상승하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 상기 가압부(12)에 의해 전극 활물질(3)의 가압시 균열 및 변형이 발생하는 것을 크게 방지할 수 있다. 한편, 상기 제1 가열부(11)는 1개 이상, 바람직하게는 5개 이상 구비될 수 있으며, 5개 이상의 제1 가열부(11)는 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)의 상부와 하부에 지그재그로 배치될 수 있다. 이는 제1 가열부(11)를 통해 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)를 이송함과 동시에 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)의 상부와 하부를 동시에 가열할 수 있고, 이에 따라 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)의 외부와 내부 온도 편차를 보다 최소화할 수 있다. 한편, 5개 이상의 제1 가열부(11)는, 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)의 이송방향을 따라 서로 다른 온도를 가질 수 있다. 예로, 5개 이상의 제1 가열부(11)는 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)의 이송방향을 따라 온도가 점차 상승하게 설정될 수 있다. 즉, 가압부(12)에 근접하게 위치한 첫번째 제1 가열부(11)의 온도는 낮게 설정하고, 그의 반대쪽에 위치한 마지막 제1 가열부(11)의 온도는 높게 설정할 수 있다. 예로 첫번째 제1 가열부(11)는 50℃로 설정하고, 마지막 제1 가열부(11)는 80℃로 설정한다. 그 사이에 위치한 제1 가열부(11)는 50℃ 보다는 높고 80℃ 보다는 낮게 설정한다. 이에 따라 전극 활물질(3)이 코팅된 집전체(2)의 온도를 점차 상승하게 조절할 수 있다. 이와 같은 구조를