JP2024513000A - 電極乾燥装置及びこれを含む電極製造システム、並びに電極を製造する方法及びこれによって製造された電極 - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施形態による乾燥装置は、電極集電体上に電極活物質が塗布された部分と塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域に位置する電極活物質を乾燥するように構成される第１乾燥ユニット、及び電極集電体上に塗布された電極活物質を全体的に乾燥するように構成される第２乾燥ユニットを含むことを特徴とする。
Description
本発明は、電極乾燥装置及びこれを含む電極製造システム、並びに電極を製造する方法及びこれによって製造された電極に関する。
本出願は、２０２１年０７月２６日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－００９８０１７号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
製品群による適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯器機だけでなく電気的駆動源によって駆動する電気車両（ＥＶ、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）又はハイブリッド車両（ＨＥＶ、Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などに一般に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を劇的に減少できるという主な利点だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点で環境にやさしく、エネルギー効率性の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。
現在広く用いられている二次電池の種類としては、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。このような単位二次電池セル、すなわち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．５Ｖである。よって、これよりも高い出力電圧が求められる場合、複数のバッテリーセルを直列に接続してバッテリーパックを構成することもある。また、バッテリーパックに求められる充放電容量によって、複数のバッテリーセルを並列に接続してバッテリーパックを構成することもある。よって、前記バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの数は、求められる出力電圧及び／又は充放電容量によって多様に設定することができる。
一方、二次電池に適用される電極は、電極集電体上に電極活物質を塗布して製造される。例えば、負極集電体上に負極活物質を含むスラリーを塗布した後に乾燥して負極電極を製造する。
一方、スライディング現象とは、電極活物質が含まれたスラリーの広がりによって、スラリー塗布境界領域以外の領域よりも、スラリー塗布境界領域で電極活物質がさらに少なく塗布されることで、塗布境界領域のスラリーが略傾斜した形態を有する現象を意味する。
ここで、電極を全体的に乾燥すると、スラリーに含まれた溶媒が蒸発し、スラリーの体積が減少することによって、電極活物質が塗布された領域と塗布されていない領域との境界付近においてスライディング現象がさらに深化する可能性がある。
このような深化したスライディング現象によって形成されたスライディング領域では、正／負極のＮＰ比（ＮＰ Ｒａｔｉｏ）が１００％以下に逆転し、リチウム金属が析出する問題が発生する可能性がある。ＮＰ比とは、負極活物質と正極活物質との単位面積当たりの容量の比率を意味する。一般に、リチウムイオン二次電池は、負極活物質の容量を正極活物質の容量よりも大きく製造している。よって、一般的なＮＰ比は１００％よりも大きい。スライディング現象によって正／負極のＮＰ比が１００％以下に減少して析出したリチウム金属は、針状に成長して電池の短絡を引き起こし得る。また、金属リチウムの析出によってリチウムイオンが減少し、電池効率及び容量が減少する可能性がある。
従って、電極製造時におけるスライディング領域の発生を抑制することで、ＮＰ比を一定レベル以上に維持できる方案の工夫が求められる。
本発明は、上記のような問題点を解決するために考案されたものであり、二次電池の電極製造時におけるスライディング領域の発生を抑制することを目的とする。
また、本発明は、電極のスライディング領域の発生を抑制することで、ＮＰ比を一定レベル以上に維持することによって、リチウムイオンの析出を防止することを目的とする。
さらに、本発明は、リチウムイオンの析出を防止することで、電池の安全性及び効率性を高めることを目的とする。
ただし、本発明が解決しようとする技術的課題は上述した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、下記の発明の説明より通常の技術者が明確に理解することができるであろう。
上記のような目的を達成するための本発明の一態様による乾燥装置は、電極集電体上において電極活物質が塗布された部分と電極活物質が塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域に位置する電極活物質を乾燥するように構成される第１乾燥ユニットと、前記電極集電体上に塗布された電極活物質を全体的に乾燥するように構成される第２乾燥ユニットと、を含む。
ここで、前記第２乾燥ユニットは、前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質を乾燥するように構成することができる。
或いは、前記第２乾燥ユニットは、前記塗布境界領域に位置する電極活物質、及び前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質の両方を乾燥するように構成することができる。
前記乾燥装置は、前記第１乾燥ユニットによる乾燥が、前記第２乾燥ユニットによる乾燥より先行するように構成することができる。
一方、前記第１乾燥ユニットは、前記第２乾燥ユニットよりも、前記電極集電体の移送方向の上流に配置することができる。
前記乾燥装置は、前記境界線が延びる方向に沿って前記電極集電体を移送するように構成することができる。
前記第１乾燥ユニットと前記第２乾燥ユニットとは、前記境界線が延びる方向に沿って互いに離隔して位置することができる。
一方、前記乾燥装置は、前記塗布境界領域を感知する境界感知センサーをさらに含むことができる。
ここで、前記乾燥装置は、前記境界感知センサーのセンシング結果を参照して、前記第１乾燥ユニットが前記塗布境界領域上に移動するようにその動きを制御する制御ユニットをさらに含むことができる。
一方、前記乾燥装置は、前記電極活物質が塗布された電極集電体を一方向に移送する移送ユニットをさらに含むことができる。
一方、前記電極集電体は負極集電体であり、前記電極活物質は負極活物質であり得る。
一方、前記第１乾燥ユニット及び第２乾燥ユニットの少なくとも一方は、常温よりも高い温度の空気を供給する熱風機であり得る。
或いは、前記第１乾燥ユニット及び第２乾燥ユニットの少なくとも一方は、ＩＲヒーター（ＩｎｆｒａＲｅｄ Ｈｅａｔｅｒ）であり得る。
一方、上記のような目的を達成するための本発明の一態様による電極製造システムは、電極集電体の少なくとも一面上に電極活物質を塗布するコーティング装置と、前記コーティング装置によって塗布された電極活物質を乾燥する乾燥装置と、を含む。
前記電極製造システムは、乾燥が完了した電極活物質を圧延する圧延装置をさらに含むことができる。
一方、上記のような目的を達成するための本発明の一態様による電極製造方法は、（Ｓ１）電極集電体を準備するステップと、（Ｓ２）電極活物質を前記電極集電体の少なくとも一部分に塗布するステップと、（Ｓ３）前記電極集電体上において前記電極活物質が塗布された部分と電極活物質が塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域に位置する電極活物質を乾燥するステップと、（Ｓ４）前記電極集電体の全領域を乾燥するステップと、を含む。
ここで、前記（Ｓ４）ステップは、前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質を乾燥するステップであり得る。
或いは、前記（Ｓ４）ステップは、前記塗布領域に位置する電極活物質、及び前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質の両方を乾燥するステップであり得る。
一方、前記電極集電体の移送方向に沿って任意の地点に位置する電極活物質領域を乾燥する場合において、前記（Ｓ４）ステップによる乾燥に先立ち、前記（Ｓ３）ステップによる乾燥を先行することができる。
前記電極製造方法は、前記境界線が延びる方向に沿って前記電極集電体を移送するステップをさらに含むことができる。
前記（Ｓ３）ステップによる乾燥及び前記（Ｓ４）ステップによる乾燥は、前記境界線が延びる方向に沿って互いに離隔する位置でそれぞれ同時に行うことができる。
前記電極製造方法は、（Ｓ５）乾燥が完了した電極活物質を圧延するステップをさらに含むことができる。
一方、上記のような目的を達成するための本発明の一態様による電極は、電極集電体、及び前記電極集電体上に塗布された電極活物質を含み、前記電極集電体上に電極活物質が塗布された部分と塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域に位置する電極活物質部分に対する乾燥が一次的に行われ、前記電極集電体上に塗布された電極活物質の全体的な乾燥が二次的に行われる。
前記二次乾燥によって乾燥する領域は、前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質の一部分であり得る。
前記二次乾燥によって乾燥する領域は、前記塗布境界領域に位置する電極活物質部分、及び前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質部分を含む全体領域であり得る。
前記電極は、負極であり得る。
本発明によると、二次電池の電極製造時におけるスライディング領域の発生が抑制される。
また、本発明によると、ＮＰ比が一定レベル以上に維持され、リチウムイオンの析出が防止される。
さらに、本発明によると、電池の安全性及び効率性が増大する。
この他にも、本発明は種々の効果を有することができ、これについては各実施形態で説明し、又は通常の技術者が容易に類推できる効果などについては該当説明を省略する。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであるため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲において使用される用語や単語は通常的及び辞書的な意味に限定して解釈されるものではなく、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応じた意味及び概念で解釈されるものである。したがって、本明細書に記載された実施形態に示された構成は、本発明の最も望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを表すものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解されたい。
また、発明の理解のために、添付される図面は実際の縮尺で示されず、一部の構成要素の寸法を誇張して示すこともある。
図１は、本発明の一実施形態による乾燥装置を示す図であり、図２は、電極集電体上に電極活物質が塗布された状態を示す図である。
図１及び図２を参照すると、本発明の一実施形態による乾燥装置１００は、第１乾燥ユニット１１０及び第２乾燥ユニット１２０を含む。
後述する二次電池の電極１０を製造するためには、電極集電体１０ａ上に電極活物質１０ｂを塗布した後に乾燥する過程が必要である。前記乾燥装置１００は、二次電池の製造過程のうち電極１０を乾燥する装置である。電極集電体１０ａ及び電極活物質１０ｂについては、図２ないし図４を参照して詳しく後述する。
前記第１乾燥ユニット１１０及び第２乾燥ユニット１２０の少なくとも一方は、常温よりも高い温度の空気を供給する熱風機であり得る。すなわち、高温の熱風を用いて電極活物質１０ｂを乾燥させることができる。
或いは、前記第１乾燥ユニット１１０及び第２乾燥ユニット１２０の少なくとも一方は、ＩＲヒーター（ＩｎｆｒａＲｅｄ Ｈｅａｔｅｒ）であり得る。ＩＲヒーターは、赤外線を用いて被加熱体の分子運動を引き起こして被加熱体を加熱するヒーターである。よって、ＩＲヒーターが本発明の一実施例による第１乾燥ユニット１１０又は第２乾燥ユニット１２０に採用される場合、赤外線が、電極活物質１０ｂが含まれたスラリーの分子運動を発生させることで、電極活物質１０ｂを加熱することができる。従って、前記電極活物質１０ｂは、熱によって乾燥することができる。
ただし、第１乾燥ユニット１１０及び第２乾燥ユニット１２０の種類はこれらに限定されず、電極活物質１０ｂを円滑に乾燥できる装置であれば採用可能である。例えば、前記第１乾燥ユニット１１０又は第２乾燥ユニット１２０は、真空を用いて被乾燥物を乾燥する真空乾燥機であり得る。
前記第１乾燥ユニット１１０は、電極集電体１０ａ上に電極活物質１０ｂが塗布された部分と塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂを乾燥するように構成することができる。前記第２乾燥ユニット１２０は、前記電極集電体１０ａ上に塗布された電極活物質１０ｂを全体的に乾燥するように構成することができる。
本発明の一実施例による乾燥装置は、第１乾燥ユニット１１０による乾燥が、第２乾燥ユニット１２０による乾燥より先行するように構成することができる。例えば、第１乾燥ユニット１１０及び第２乾燥ユニット１２０の作動順序で及び／又は配置位置によって、塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂが、塗布境界領域Ｂ以外の領域に位置する電極活物質１０ｂより先に乾燥され得る。例えば、第１乾燥ユニット１１０は、前記第２乾燥ユニット１２０よりも、前記電極集電体１０ａの移送方向Ｆの上流に配置され得る。よって、一方向に移送される電極集電体１０ａにおいて、第１乾燥ユニット１１０によって、塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂが先に乾燥され得る。これによって、電極活物質１０ｂが塗布された塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂの横方向の収縮を制御することができる。その後、移送方向Ｆの下流に配置された第２乾燥ユニット１２０によって、前記電極集電体１０ａ上に塗布された電極活物質１０ｂが全体的に乾燥され得る。
一方、前記第２乾燥ユニット１２０は、前記塗布境界領域Ｂ以外の領域に位置する電極活物質１０ｂを乾燥するように構成することができる。例えば、塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂは、既に第１乾燥ユニット１１０によって乾燥されていたので、第２乾燥ユニット１２０によってさらに乾燥する場合、電極活物質１０ｂの体積がより過度に減少する可能性、及び／又は過乾燥により圧延工程のような後続工程の進行時に電極活物質１０ｂが割れる現象が発生する可能性がある。よって、第２乾燥ユニット１２０は、塗布境界領域Ｂを排除し、塗布境界領域Ｂ以外の領域に位置する電極活物質１０ｂのみを乾燥するように構成することができる。この場合、塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂの過度な体積減少現象、及び／又は圧延工程の進行時に電極活物質１０ｂが割れる現象を防止することができる。
一方、前記第２乾燥ユニット１２０は、前記塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂ、及び前記塗布境界領域Ｂ以外の領域に位置する電極活物質１０ｂの両方を乾燥することもできる。例えば、二次電池の種類によって、電極１０のサイズが異なり得る。よって、サイズの異なる様々な種類の電極１０を乾燥する場合、塗布境界領域Ｂと塗布境界領域Ｂ以外の領域とを区分する追加の過程が必要となり得る。このような追加の過程は、コストを増加させ、製造過程を複雑にし得る。よって、サイズの異なる様々な種類の電極１０を乾燥する場合にもすべて適用可能になるように、第２乾燥ユニット１２０が、塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂ、及び前記塗布境界領域Ｂ以外の領域に位置する電極活物質１０ｂの両方を同時に乾燥することができる。この場合、第１乾燥ユニット１１０及び／又は第２乾燥ユニット１２０による乾燥条件（乾燥温度、乾燥時間など）を適切に調節することができ、これによって、過乾燥による問題が発生することを防止することができる。
図１を参照すると、本発明の一実施形態による乾燥装置１００は、境界感知センサー１３０、及び／又は、移送ユニット１４０、及び／又は、制御ユニット１５０をさらに含むことができる。
前記境界感知センサー１３０は、前記塗布境界領域Ｂを感知するセンサーである。前記境界感知センサー１３０としては、例えば、画像認識カメラ、超音波センサーなどを適用することができる。しかし、これは例示的なものであり、境界を感知できる装置であれば本発明の一実施例による境界感知センサー１３０に採用することができる。
電極集電体１０ａの移送は、例えば、移送ユニット１４０によって行うことができる。前記移送ユニット１４０は、電極１０を一方向に移送するように構成することができる。より具体的には、前記移送ユニット１４０は、電極活物質１０ｂが塗布された電極集電体１０ａを一方向に移送するように構成することができる。前記電極１０は、例えば、電極活物質１０ｂが塗布されていない所定の幅を有する無地部ライン（図示せず）が、電極１０の移送方向Ｆに並ぶ方向に沿って延びるように配置され得る。すなわち、前記乾燥装置は、電極活物質１０ｂの塗布領域と未塗布領域との境界線が延びる方向に沿って電極集電体１０ａを移送するように構成することができる。この場合、前記第１乾燥ユニット１１０と第２乾燥ユニット１２０とは、例えば、前記境界線が延びる方向に沿って互いに離隔して位置し得る。前記第１乾燥ユニット１１０と第２乾燥ユニット１２０とがこのように配置される場合、第１乾燥ユニット１１０と第２乾燥ユニット１２０とによる乾燥は、前記境界線が延びる方向に沿って互いに離隔する位置でそれぞれ同時に行うことができる。
例えば、図１を参照すると、前記移送ユニット１４０は、電極１０の下方に配置された複数のローラーの集合体であり得る。前記ローラーが回転するとともに、前記ローラー上に置かれた電極１０が摩擦力によって移送方向Ｆに移送することができる。或いは、図示されてはいないが、前記移送ユニット１４０は、例えばコンベアベルトであり得る。
一方、前記移送ユニット１４０は、乾燥装置１００の一部として提供することもできるが、乾燥装置１００とは別途の構成要素として提供することもできる。例えば、図示されてはいないが、前記移送ユニット１４０は、例えば巻き取られた電極１０又は電極集電体１０ａを巻き出す巻き出しロール、及び乾燥した電極１０を再度巻き取る巻き取りロールを含むこともできる。より具体的には、電極集電体１０ａ又は電極１０は、巻き出しロール上に巻き取られ得る。巻き取られていた前記電極集電体１０ａ又は電極１０は、巻き出しロールの回転によって巻き出され、平たい形態で移送することができる。前記巻き出しロールに巻き取られていた要素が、電極活物質１０ｂがコーティングされていない電極集電体１０ａであれば、電極集電体１０ａは、移送方向Ｆに沿って後述するコーティング装置に進入した後、前記乾燥装置１００が配置された領域に進入することができる。これとは異なり、前記巻き出しロールに巻き取られていた要素が、電極活物質１０ｂのコーティングが完了した電極１０であれば、電極１０は、移送方向Ｆに沿って乾燥装置１００が設けられた領域に進入することができる。その後、平たい形態の乾燥した電極集電体１０ａは、再度巻き取りロール上で巻き取ることができる。すなわち、巻き出しロールと巻き取りロールとの回転によって、前記電極集電体１０ａ又は電極１０は一方向に移送することができる。
ただし、移送ユニット１４０の具体的な実施形態はこれらに限定されず、電極集電体１０ａ又は電極１０を一方向に移送可能な装置であれば本発明の一実施例による移送ユニット１４０に採用することができる。
前記制御ユニット１５０は、前記境界感知センサー１３０のセンシング結果を参照して、前記第１乾燥ユニット１１０が前記塗布境界領域Ｂ上に移動するようにその動きを制御することができる。
例えば、図１を参照すると、境界感知センサー１３０が塗布境界領域Ｂを感知し、その感知結果を含む信号を制御ユニット１５０に送信することができる。制御ユニット１５０は、前記受信した信号に基づいて、第１乾燥ユニット１１０の位置値が予め定められた値と一致するか否かを判断することができる。もし第１乾燥ユニット１１０の位置値が予め定められた値と一致しない場合には、前記制御ユニット１５０は、前記第１乾燥ユニット１１０に移動命令信号を送信することができる。前記移動命令信号を受信した第１乾燥ユニット１１０は、前記信号に基づいて塗布境界領域Ｂ上に移動することができる。よって、第１乾燥ユニット１１０は、塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂを確実に乾燥することができる。
上記のような実施形態による本発明の一実施例による制御ユニット１５０によると、サイズの異なる様々な種類の電極１０を乾燥する場合でも、正確な塗布境界領域Ｂを把握して塗布境界領域Ｂを先乾燥することができる。
前記制御ユニット１５０は、第１乾燥ユニット１１０及び第２乾燥ユニット１２０の乾燥強度を制御することもできる。また、前記制御ユニット１５０は、前記移送ユニット１４０の移送速度を調節することができる。
一方、本発明の一実施形態による電極１０は、電極集電体１０ａ、及び電極集電体１０ａ上に塗布された電極活物質１０ｂを含む。前記電極１０において、電極集電体１０ａ上に電極活物質１０ｂが塗布された部分と塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域に位置する電極活物質１０ｂ部分に対する乾燥を一次的に行うことができる。その後、前記電極集電体１０ａ上に塗布された電極活物質１０ｂの全体的な乾燥を二次的に行うことができる。
前記二次乾燥によって乾燥する領域は、前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質１０ｂの一部分であり得る。これとは異なり、前記二次乾燥によって乾燥する領域は、前記塗布境界領域に位置する電極活物質１０ｂ部分、及び塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質１０ｂ部分を含む全体領域であり得る。
一方、このように一部領域に対する先乾燥後に、全体的に後乾燥を行うことで製造される本発明の一実施例による電極１０は、負極であり得る。
図示されてはいないが、本発明の一実施形態による電極製造システム１は、前記乾燥装置１００及びコーティング装置（図示せず）を含むことができる。すなわち、前記電極製造システム１は、電極集電体１０ａの少なくとも一面上に電極活物質１０ｂを塗布するコーティング装置と、前記コーティング装置によって塗布された電極活物質１０ｂを乾燥する乾燥装置１００と、を含むことができる。一方、前記電極製造システム１は、その他圧延装置（図示せず）をさらに含むこともできる。前記圧延装置は、一次乾燥及び二次乾燥がすべて完了した電極活物質１０ｂを圧延するように構成することができる。
本発明の一実施形態による電極製造方法は、（Ｓ１）電極集電体１０ａを準備するステップと、（Ｓ２）電極活物質１０ｂを前記電極集電体１０ａの少なくとも一部分に塗布するステップと、（Ｓ３）前記電極集電体１０ａ上に前記電極活物質１０ｂが塗布された部分と塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂを乾燥するステップと、（Ｓ４）前記電極集電体１０ａ上に塗布された電極活物質１０ｂを全体的に乾燥するステップと、を含むことができる。前記電極製造方法は、（Ｓ５）乾燥が完了した電極活物質１０ｂを圧延するステップをさらに含むこともできる。前記（Ｓ４）ステップは、塗布境界領域Ｂ以外の領域に位置する電極活物質を乾燥するステップであり得る。これとは異なり、前記（Ｓ４）ステップは、前記塗布境界領域に位置する電極活物質１０ｂ、及び前記塗布境界領域Ｂ以外の領域に位置する電極活物質１０ｂの両方を乾燥するステップであり得る。
一方、前記電極集電体１０ａの移送方向Ｆに沿って任意の地点に位置する電極活物質領域を乾燥するにおいて、前記（Ｓ４）ステップによる乾燥に先立ち、前記（Ｓ３）ステップによる乾燥を先行することができる。前記電極製造方法は、前記境界線が延びる方向に沿って電極集電体１０ａを移送するステップをさらに含むことができる。この場合、前記（Ｓ３）ステップによる乾燥及び（Ｓ４）ステップによる乾燥は、前記境界線が延びる方向に沿って互いに離隔する位置でそれぞれ同時に行うことができる。
このような製造方法によると、前記電極集電体１０ａ上に前記電極活物質１０ｂが塗布された部分と塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域Ｂに位置する電極活物質１０ｂを先に乾燥させることで、電極活物質１０ｂの横方向の収縮を制御することができる。これによって、スライディング領域Ｓの発生を著しく減少することができる。スライディング領域Ｓの発生抑制効果に対しては、図２ないし図４を参照して詳しく説明する。
図２は、電極集電体上に電極活物質が塗布された状態を示す図である。一方、図３は、図１の乾燥装置によって乾燥した電極を示す図であり、図４は、従来の乾燥方法によって乾燥した電極を示す図である。
図２ないし図４を参照すると、前記電極１０は、電極集電体１０ａ及び電極活物質１０ｂを含む。
前記電極１０は、例えば正極又は負極であり得る。前記電極１０が正極である場合、電極集電体１０ａは正極集電体であり、電極活物質１０ｂは正極活物質であり得る。この場合、前記正極集電体は、アルミニウムを含む金属材料からなり得る。また、正極活物質は、金属塩の構成成分によって、ＬＣＯ、ＮＣＭ、ＮＣＭＡ、ＮＣＭＸ、ＮＣＡ、ＬＭＯ、ＬＦＰなどであり得る。一方、前記電極１０が負極である場合、電極集電体１０ａは負極集電体であり、電極活物質１０ｂは負極活物質であり得る。この場合、前記負極集電体は、銅を含む金属材料からなり得る。また、負極活物質は、黒鉛又はシリコンを含むことができる。
一方、本発明の一実施例において、電極活物質１０ｂは、必ずしも上述したような正極活物質として作用する化合物、又は負極活物質として作用する化合物そのもののみを意味するわけではない。すなわち、本発明の一実施例において、電極活物質１０ｂは、正極活物質として作用する化合物又は負極活物質として作用する化合物に加え、バインダー及び／又は増粘剤などの添加剤をさらに含むこともできる。また、本発明の一実施例において、電極活物質１０ｂは、上述したような物質を分散させるための溶媒を含むスラリー状態の電極活物質を称えるものであり得る。すなわち、本発明の一実施例において、スラリーは、乾燥前状態の電極活物質１０ｂを意味する。
図２は、電極集電体１０ａ上に電極活物質１０ｂが塗布された状態を示す図である。乾燥する前の電極活物質１０ｂは、溶媒を含むスラリー形態を有する。図２を参照すると、電極活物質１０ｂが含まれたスラリーが電極集電体１０ａ上に塗布されている。図２では、塗布されたスラリーの塗布境界領域Ｂに位置するスラリーの一端部が電極集電体１０ａと略垂直な形態を有する。ただし、図２とは異なり、スラリーが有する流動性によって、塗布境界領域Ｂに位置するスラリーの一端部である程度のスライディング現象が発生し得る。すなわち、塗布境界領域Ｂ以外の領域よりも、塗布境界領域Ｂでスラリーがさらに少なく塗布され得る。よって、電極１０の乾燥前状態でもスライディング領域は形成され得る。
ただし、スラリーが塗布された電極１０を全体的に乾燥すると、スラリーに含有された溶媒が一部蒸発してスラリーの体積が減少し、この場合、スラリーが塗布された領域と塗布されていない領域との境界付近においてスライディング現象がさらに深化する可能性がある。すなわち、スライディング現象は、電極活物質１０ｂと電極集電体１０ａとの結合界面に近い領域における横方向の収縮量よりも、前記結合界面から遠い領域における横方向の収縮量がさらに多いため、電極１０の乾燥時にさらに深化し得る。このような深化したスライディング現象によって形成されたスライディング領域Ｓでは、正／負極のＮＰ比が１００％以下に逆転し、リチウム金属が析出する問題が発生し得る。
ＮＰ比とは、負極活物質と正極活物質の単位面積当たりの容量の比率を意味する。一般的に、リチウムイオン二次電池の製造時に、負極活物質の容量を正極活物質の容量よりも大きく設定する。よって、一般的な場合、ＮＰ比は１００％よりも大きい。もしスライディング現象によって、正／負極のＮＰ比が１００％以下に減少すると、析出したリチウム金属は、針状に成長して電池の短絡を引き起こす可能性がある。また、金属リチウムの析出によってリチウムイオンの量が減少し、電池効率及び容量が減少し得る。よって、電極１０の製造時にスライディング領域Ｓの発生を抑制することで、ＮＰ比を一定レベル以上に維持する必要がある。
本発明の一実施例によると、スライディング領域Ｓの発生を抑制することで、ＮＰ比を一定レベルに維持することができる。特に、ＮＰ比の減少を防止し、負極活物質が占める空間を最小化してエネルギー密度を向上させるためには、負極のスライディング領域Ｓの発生を抑制する必要がある。
本発明の一実施形態による乾燥装置１００によって乾燥した電極１０を示す図３を参照すると、塗布境界領域Ｂにおけるスラリーの体積減少がほとんど発生しないことが分かる。すなわち、塗布境界領域Ｂにおけるスラリーの横方向の収縮が制御される。よって、本発明の一実施例による乾燥装置１００によって乾燥した電極１０において、スライディング領域Ｓは非常に狭い領域でのみ示される。
一方、従来の乾燥方式で乾燥した電極１０を示す図４を参照すると、塗布境界領域Ｂにおいてスラリーの体積が大きく減少したことが分かる。すなわち、従来の乾燥方法で乾燥した電極１０においては、スライディング領域Ｓが比較的広い範囲で示されている。図４のように広い範囲でスライディング領域Ｓが発生すると、正／負極のＮＰ比が１００％以下に減少し、リチウム金属が析出し得る。金属リチウムが析出すると、電池の内部で短絡が発生する可能性がある。また、金属リチウムの析出によって、リチウムイオンの量が減少し、電池効率及び容量が減少し得る。
一方、本発明の一実施形態による乾燥装置１００によって乾燥した電極１０においては、スライディング領域Ｓが非常に狭い領域でのみ示されるため、ＮＰ比を１００％よりも大きく設定することができる。従って、電池の内部安全性を増大させることができる。また、本発明の一実施形態による乾燥装置１００によって乾燥した電極１０では、スライディング領域Ｓがほとんど発生しないため、電池の内部のデッドスペース（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ）を最小化することができ、これによって二次電池のエネルギー密度を極大化することができる。
図５は、図３及び図４の乾燥した電極活物質の厚さを比較するためのグラフを示す図である。図３は、本発明の実施形態であり、図４は、本発明に対する比較例である。
図５を参照すると、本発明の一実施形態による乾燥装置１００によって乾燥した電極１０では、スラリーの厚さが乾燥前のスラリーの厚さとほとんど同一であり、ごく一部分のみでその厚さが減少する形態を示した。特に、本発明の実施形態においては、塗布境界領域Ｂにおける横方向の収縮がほとんど発生していないことが確認された。
一方、従来の乾燥方法によって乾燥した電極１０では、スラリーの厚さが乾燥前のスラリーの厚さに比べて顕著に減少したことが確認された。具体的には、比較例では、スラリーが縦方向に収縮してスラリーの塗布厚さが急激に減少した。また、比較例では、スラリーが横方向にも過度に収縮して広い面積のスライディング領域Ｓが形成された。
一方、本明細書では、上、下のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は説明の便宜のためのものであるだけ、対象となる物体の位置や観測者の位置などに応じて変わり得ることは本発明の通常の技術者に自明である。
以上、本発明は限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明はこれによって限定されるものではなく、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって、本発明の技術思想と以下に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で様々な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
１ 電極製造システム
１０ 電極
１０ａ 電極集電体
１０ｂ 電極活物質
１００ 乾燥装置
１１０ 第１乾燥ユニット
１２０ 第２乾燥ユニット
１３０ 境界感知センサー
１４０ 移送ユニット
１５０ 制御ユニット
Ｓ スライディング領域
Ｂ 塗布境界領域
Ｆ 移送方向
１０ 電極
１０ａ 電極集電体
１０ｂ 電極活物質
１００ 乾燥装置
１１０ 第１乾燥ユニット
１２０ 第２乾燥ユニット
１３０ 境界感知センサー
１４０ 移送ユニット
１５０ 制御ユニット
Ｓ スライディング領域
Ｂ 塗布境界領域
Ｆ 移送方向
Claims (26)
- 電極集電体上において電極活物質が塗布された部分と電極活物質が塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域に位置する電極活物質を乾燥するように構成される第１乾燥ユニットと、
前記電極集電体上に塗布された電極活物質を全体的に乾燥するように構成される第２乾燥ユニットと、
を含む、乾燥装置。 - 前記第２乾燥ユニットは、
前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質を乾燥するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の乾燥装置。 - 前記第２乾燥ユニットは、
前記塗布境界領域に位置する電極活物質、及び前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質の両方を乾燥するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の乾燥装置。 - 前記乾燥装置は、
前記第１乾燥ユニットによる乾燥が、前記第２乾燥ユニットによる乾燥より先行するように構成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置。 - 前記第１乾燥ユニットは、
前記第２乾燥ユニットよりも、前記電極集電体の移送方向の上流に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置。 - 前記乾燥装置は、
前記境界線が延びる方向に沿って前記電極集電体を移送するように構成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置。 - 前記第１乾燥ユニットと前記第２乾燥ユニットとは、
前記境界線が延びる方向に沿って互いに離隔して位置することを特徴とする、請求項６に記載の乾燥装置。 - 前記乾燥装置は、
前記塗布境界領域を感知する境界感知センサーをさらに含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置。 - 前記乾燥装置は、
前記境界感知センサーのセンシング結果を参照して、前記第１乾燥ユニットが前記塗布境界領域上に移動するようにその動きを制御する制御ユニットをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の乾燥装置。 - 前記乾燥装置は、
前記電極活物質が塗布された電極集電体を一方向に移送する移送ユニットをさらに含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置。 - 前記電極集電体は、負極集電体であり、
前記電極活物質は、負極活物質であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置。 - 前記第１乾燥ユニット及び第２乾燥ユニットの少なくとも一方は、
常温よりも高い温度の空気を供給する熱風機であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置。 - 前記第１乾燥ユニット及び第２乾燥ユニットの少なくとも一方は、
ＩＲヒーター（ＩｎｆｒａＲｅｄ Ｈｅａｔｅｒ）であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置。 - 電極製造システムであって、
電極集電体の少なくとも一面上に電極活物質を塗布するコーティング装置と、
前記コーティング装置によって塗布された電極活物質を乾燥する請求項１から３のいずれか一項に記載の乾燥装置と、を含む、電極製造システム。 - 前記電極製造システムは、
乾燥が完了した電極活物質を圧延する圧延装置をさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の電極製造システム。 - （Ｓ１）電極集電体を準備するステップと、
（Ｓ２）電極活物質を前記電極集電体の少なくとも一部分に塗布するステップと、
（Ｓ３）前記電極集電体上において前記電極活物質が塗布された部分と前記電極活物質が塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域に位置する電極活物質を乾燥するステップと、
（Ｓ４）前記電極集電体上に塗布された電極活物質を全体的に乾燥するステップと、
を含む、電極製造方法。 - 前記（Ｓ４）ステップは、
前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質を乾燥するステップであることを特徴とする、請求項１６に記載の電極製造方法。 - 前記（Ｓ４）ステップは、
前記塗布境界領域に位置する電極活物質、及び前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質の両方を乾燥するステップであることを特徴とする、請求項１６に記載の電極製造方法。 - 前記電極集電体の移送方向に沿って任意の地点に位置する電極活物質領域を乾燥する場合において、前記（Ｓ４）ステップによる乾燥に先立ち、前記（Ｓ３）ステップによる乾燥が先行することを特徴とする、請求項１６に記載の電極製造方法。
- 前記電極製造方法は、
前記境界線が延びる方向に沿って前記電極集電体を移送するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の電極製造方法。 - 前記（Ｓ３）ステップによる乾燥、及び前記（Ｓ４）ステップによる乾燥は、
前記境界線が延びる方向に沿って互いに離隔する位置でそれぞれ同時に行うことを特徴とする、請求項２０に記載の電極製造方法。 - 前記電極製造方法は、
（Ｓ５）乾燥が完了した電極活物質を圧延するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の電極製造方法。 - 電極集電体、及び前記電極集電体上に塗布された電極活物質を含む電極であって、
前記電極集電体上に電極活物質が塗布された部分と塗布されていない部分との境界線を含む塗布境界領域に位置する電極活物質部分に対する乾燥が一次的に行われ、
前記電極集電体上に塗布された電極活物質の全体的な乾燥が二次的に行われる、電極。 - 前記二次乾燥によって乾燥する領域は、
前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質の一部分であることを特徴とする、請求項２３に記載の電極。 - 前記二次乾燥によって乾燥する領域は、
前記塗布境界領域に位置する電極活物質部分、及び前記塗布境界領域以外の領域に位置する電極活物質部分を含む全体領域であることを特徴とする、請求項２３に記載の電極。 - 前記電極は、
負極であることを特徴とする、請求項２３に記載の電極。
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2022
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