KR20230072286A - 전극 제조 방법, 전극 및 압출기 - Google Patents
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Abstract
실시예들에 따르면, 활물질 및 제 1 상태의 바인더를 포함하는 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계; 제 1 형태의 혼합 물질에, 압출기를 통해, 기 설정된 값 이상의 힘을 가하여 활물질 및 제 2 상태의 바인더를 포함하는 제 2 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계; 및 제 2 형태의 혼합 물질을 압연하여 제 3 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계; 를 포함하는, 전극 제조 방법을 제공한다.
Description
실시예들은 전극 제조 방법, 전극 및 압출기에 관한 것이다. 예를 들어, 실시예들은 압출기와, 압출기를 이용하여 제조하는 전극 및 전극 제조 방법에 적용된다.
최근 환경에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 절감 및 환경 보호를 실현하기 위하여 이차 전지의 필요성이 고조되고 있다. 또한, 전기 자동차의 기술 개발과 수요가 증가함에 따른 에너지원으로 전지 산업이 급격히 성장하고 있다. 이에 따라 이차 전지의 전지 성능 향상, 안전성 확보, 공간 활용성, 가격 경쟁력 향상 등에 대한 다양한 요구가 있다. 이러한 요구를 구현하기 위하여 이자 전지의 생산 공정의 개선이 필요하다.
이차 전지(secondary cell)는 외부 전원으로 공급받은 전류가 양극과 음극 사이에서 물질의 산화 환원 반응을 일으키는 과정에서 생성된 전기를 충전함으로써, 반영구적으로 사용 가능한 전지를 의미한다. 이차 전지는, 종래의 일회성 이용만이 가능하던 일차 전지와 달리, 여러 번 충전하여 재사용이 가능하다는 장점이 있다.
이차 전지는, 양극판, 음극판, 양극판과 음극판을 나누는 분리막, 전해액 및 이들을 넣고 밀봉한 케이스를 포함한다. 양극판, 음극판 및 분리막을 포함하는 구조를 전극 조립체라고 한다. 구체적으로, 전극 조립체는 복수 개의 단위셀이 적층 됨으로써 형성된다. 단위셀은 양극판, 음극판 및 분리막이 적층된 상태를 절단함으로써 형성된다.
이때, 양극판 및 음극판과 같은 전극을 제조하기 위하여 현재 다음과 같은 제조 공정이 진행된다. 먼저 용매에 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 슬러리(slurry) 상태로 제작한다. 슬러리를 전극 호일 상부에 코팅한 뒤 코팅된 전극을 건조하여 용매를 제거한다. 이후, 건조된 전극을 압연을 통해 전극의 두께를 제어한다.
그러나, 이와 같이 전극 제조 과정에서 용매를 이용하는 경우, 용매를 투입 및 제거하기 위한 재료비와 공정 비용이 발생하게 된다. 또한, 용매의 부피로 인하여 로딩(loading) 가능한 활물질의 양이 제한적이다. 나아가, 용매가 환경 규제 물질인 경우가 많아 환경 및 기한에 있어 제약이 있는 문제가 있다.
실시예들은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용매를 이용하지 않고 전극을 제조하는 전극 제조 방법, 전극 및 이에 이용되는 압출기를 제공한다.
실시예들에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 다양한 실시예들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.
실시예들에 따르면, 활물질 및 제 1 상태의 바인더를 포함하는 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계; 제 1 형태의 혼합 물질에, 압출기를 통해, 기 설정된 값 이상의 힘을 가하여 활물질 및 제 2 상태의 바인더를 포함하는 제 2 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계; 및 제 2 형태의 혼합 물질을 압연하여 제 3 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계; 를 포함하는, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는 제 1 온도에서 수행되고, 제 2 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는 제 2 온도에서 수행되며, 제 1 온도는 기 설정된 온도 이하이고, 제 2 온도는 기 설정된 온도보다 큰, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 2 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는, 제 1 형태의 혼합 물질을 기 설정된 온도 이상에서 가열하는 단계; 및 제 1 상태의 바인더를 제 2 상태의 바인더가 되도록 가열된 제 1 형태의 혼합 물질에 기 설정된 값 이상의 힘을 가하는 단계; 를 포함하는, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 기 설정된 값 이상의 힘은 제 1 형태의 혼합 물질에 대해 2 이상의 방향으로 가해지는, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 1 상태의 바인더는 파우더 형상을 갖고, 제 2 상태의 바인더는 활물질의 적어도 일부와 활물질의 적어도 다른 일부를 연결하는 풀려 있는 형상을 갖는, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는, 활물질, 제 1 상태의 바인더 및 도전재를 동시에 투입하는 단계; 및 활물질, 제 1 상태의 바인더 및 도전재를 혼합하는 단계; 를 포함하는, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는, 활물질의 외부에 도전재를 코팅하는 단계; 도전재가 코팅된 활물질에 제 1 상태의 바인더를 투입하여 혼합하는 단계; 를 포함하는, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 3 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는, 제 2 형태의 혼합 물질을 가열하는 단계; 및 가열된 제 2 형태의 혼합 물질을 소정의 두께를 갖도록 압연하는 단계; 를 포함하는, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 1 상태의 바인더 및 제 2 상태의 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 1 형태의 혼합 물질에 포함되는 활물질은 파우더(powder) 형태인, 전극 제조 방법을 제공한다.
실시예들에 따르면, 집전체; 집전체 상에 마련되고, 활물질 및 바인더를 포함하는 활물질 층; 을 포함하고, 바인더는, 파우더 형태의 활물질의 적어도 일부와 파우더 형태의 활물질의 적어도 다른 일부를 연결하는, 전극을 제공한다.
실시예들에 따르면, 활물질은 2 이상의 방향성을 갖는, 전극을 제공한다.
실시예들에 따르면, 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는, 전극을 제공한다.
실시예들에 따르면, 활물질은 파우더(powder) 형태인, 전극을 제공한다.
실시예들에 따르면, 파우더를 압출하는 압출기에 있어서, 내부에 공간을 갖는 배럴(barrel); 회전을 통해 파우더를 압출하고, 배럴 내부에 마련되는 하나 또는 그 이상의 스크류(screw); 및 스크류를 구동하는 구동부; 를 포함하고, 스크류는, 제 1 피치(pitch)를 갖는 나선형 블레이드(blade)가 형성되는 제 1 파트; 및 제 1 파트와 연속되어 형성되고, 제 1 피치보다 작은 제 2 피치를 갖는 나선형 블레이드가 형성되는 제 2 파트; 를 포함하는, 파우더를 압출하는 압출기를 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 1 피치는, 제 2 파트에 가까워질수록 작아지는, 파우더를 압출하는 압출기를 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 1 파트는, 제 1 지름 및 제 1 지름보다 제 2 파트에 가까운 제 2 지름을 갖도록 형성되고, 제 2 지름은 제 1 지름보다 큰, 파우더를 압출하는 압출기를 제공한다.
실시예들에 따르면, 제 2 파트는 일정한 지름을 갖도록 형성된, 파우더를 압출하는 압출기를 제공한다.
실시예들에 따르면, 스크류는, 제 2 파트와 연속되어 형성되고, 제 3 지름 및 제 3 지름보다 제 2 파트로부터 먼 제 4 지름을 갖도록 형성되는 제 3 파트; 를 더 포함하고, 제 3 지름은 제 4 지름보다 큰, 파우더를 압출하는 압출기를 제공한다.
실시예들에 따르면, 압출기는, 배럴 상에 마련되고, 소정의 간격을 갖고 서로 이격되어 배치되는 하나 또는 그 이상의 한 쌍의 롤러(roller); 를 더 포함하는, 파우더를 압출하는 압출기를 제공한다.
실시예들은 용매를 이용하지 않고 전극을 제조할 수 있다.
실시예들은 다방향성을 갖는 전극을 제조할 수 있다.
실시예들은 전극 제조 공정을 연속적으로 수행할 수 있다.
실시예들은 고로딩(high loading) 가능한 전극을 제공할 수 있다.
실시예들은 건식 전극 제조 공정을 위한 압출기를 제공할 수 있다.
실시예들로부터 얻을 수 있는 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 이하의 상세한 설명을 기반으로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다.
실시예들에 대한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함된, 첨부 도면은 다양한 실시예들을 제공하고, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예들의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 실시예들에 따른 전극 제조 방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 설명한 s101을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에서 설명한 s102를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에서 설명한 s102를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 1에서 설명한 s103을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 실시예들에 따른 활물질층에 대한 SEM 촬영 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예들에 따른 전극을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 상면에서 본 실시예들에 따른 피딩 유닛(feeding unit)을 도시한 것이다.
도 9는 실시예들에 따른 압출기를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예들에 따른 압출기의 스크류를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예들에 따른 압출기의 스크류의 실시예를 나타낸 것이다.
도 1은 실시예들에 따른 전극 제조 방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 설명한 s101을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에서 설명한 s102를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에서 설명한 s102를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 1에서 설명한 s103을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 실시예들에 따른 활물질층에 대한 SEM 촬영 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예들에 따른 전극을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 상면에서 본 실시예들에 따른 피딩 유닛(feeding unit)을 도시한 것이다.
도 9는 실시예들에 따른 압출기를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예들에 따른 압출기의 스크류를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예들에 따른 압출기의 스크류의 실시예를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
본 명세서에서 설명하는 전지(battery)는, 이차 전지(secondary battery)로서 방전 후 충전을 통해 재사용이 가능한 전지이다. 이때, 이차 전지는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 수소 전지, 리튬 이온 전지를 포함한다. 또한, 본 명세서에서 설명하는 전극 조립체는 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 조립체이다.
본 명세서에서는 전극의 예시로서 양극을 통해 설명한다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 전극은 양극 및 음극을 모두 포함한다.
또한, 본 명세서에서 설명하는 전극은 전극의 집전체와 전극의 활물질층을 포함한다. 이때, 활물질층은 활물질을 포함하는 층으로 도전재, 바인더(binder)를 더 포함할 수 있다. 활물질층이 시트(sheet) 형태를 갖는 경우 시트와 혼용될 수 있다. 또한, 이하의 설명 및 도면에서는, 편의를 위하여 활물질층을 전극과 혼용할 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 전극 제조 방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 설명한 s101을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에서 설명한 s102를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에서 설명한 s102를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 1에서 설명한 s103을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 실시예들에 따른 전극 제조 방법은 활물질(1101) 및 바인더(1102)를 포함하는 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계(s101)를 포함한다. 제 1 형태의 혼합 물질(1110)은 도전재(1103)를 더 포함하여도 된다.
구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 제 1 형태의 혼합 물질(1110)은 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)를 혼합(mixing)하여 형성한다. 이때, 각각의 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)의 혼합 비율은 기 설정된 비율에 의한다.
실시예들에 다른 제 1 형태의 혼합 물질(1110)은 활물질층(1100, 도 7 참조)을 형성하기 위한 혼합물이다. 제 1 형태의 혼합 물질(1110)은 고체의 파우더(powder) 형태를 갖는다. 제 1 형태의 혼합 물질(1110)은 파우더 형태의 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)가 혼합된 것이다.
실시예들에 따른 활물질(1101)은 전극 반응에 관여한다. 예를 들어, 활물질(1101)은 전지(1000, 도 7 참조) 사용 시 산화 또는 환원 반응이 일어난다. 예를 들어, 활물질(1101)이 양극 활물질인 경우, 활물질(1101)은 전자를 받아 양이온과 함께 환원되는 물질로서, 예를 들어, LiCoO2, LiNixCoyMnzO2(x, y, z는 양의 실수), LiMn2O4 이다. 또한, 예를 들어, 활물질(1101)이 음극 활물질인 경우 전자를 방출하는 물질로서, 예를 들어, lithium intercalating carbon과 같은 카본(C)을 포함한다.
실시예들에 따른 바인더(1102)는, 활물질(1101), 도전재(1103) 중 적어도 일부의 접착력을 향상시킨다. 또한, 바인더(1102)는, 예를 들어 집전체(1200, 도 7 참조)와 같은 활물질층 외부와의 접착력을 향상시킨다.
바인더(1102)는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)이다. 그러나, 바인더(1102)는 여기에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 스티렌부타디엔 고무(Styrenebutadiene, SBR), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리메타크릴레이트(polymethacraylate, PMA), 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA) 등을 포함한다.
제 1 형태의 혼합 물질(1110)에 포함되는 바인더(1102)는 파우더 형태로서 엉켜있는 형태를 갖는다. 설명의 편의를 위하여 제 1 형태의 혼합 물질(1110)에 포함되는 바인더(1102)로서 파우더 형태의 엉켜있는 바인더(1102)를 제 1 상태의 바인더라고 칭한다.
실시예들에 따른 도전재(1103)는 활물질(1101) 간의 전자 이동을 촉진한다. 도전재(1103)는 탄소 계열 도전재로서, 예를 들어, 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 중 적어도 하나를 포함한다. 또는, 도전재(1103)는 금속 계열 도전재로서, 예를 들어, 주석, 산화 주석, 산화 티타늄, 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 적어도 하나를 포함한다.
제 1 형태의 혼합 물질(1110)은 아래와 같은 공정을 통해 형성된다.
전지(1000, 도 7 참조)에 액체 전해질이 포함되는 경우로서 예를 들어 전지(1000)가 리튬 이온 배터리(Lithium-Ion Battery, LIB)인 경우, 제 1 형태의 혼합 물질(1110)의 제조 방법은 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)를 동시에 투입하는 단계 및 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)를 혼합하여 제 1 형태의 혼합 물질(1110)을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 각각의 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)는 파우더 형태 및/또는 상태를 갖는다.
또는, 전지(1000)에 고체 전해질이 포함되는 경우로서 예를 들어 전지(1000)가 전고체 전지(Solid-State Battery, SSB)인 경우, 제 1 형태의 혼합 물질(1110)의 제조 방법은 활물질(1101)의 외부에 도전재(1103)를 코팅하는 단계, 도전재(1103)가 코팅된 활물질(1101)에 바인더(1102)를 투입하는 단계 및 이들을 혼합하여 제 1 형태의 혼합 물질(1110)을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 각각의 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)는 파우더 형태 및/또는 상태를 갖는다.
이때, 코팅 방법은, 예를 들어, 건식 코팅(Dry Particle Coating) 방식, 특수 Carbon Coating 방식 및 메카노퓨전(Mechanofusion) 방식을 포함한다.
제 1 형태의 혼합 물질(1110)을 형성하는 공정에서 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)의 혼합은 기 설정된 속도 이상의 교반을 통해 이루어진다. 이를 통해 제 1 형태의 혼합 물질(1110)은 서로 고르게 분산된 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)를 포함한다.
제 1 형태의 혼합 물질(1110)을 형성하는 공정은 제 1 온도에서 수행된다. 이때, 제 1 온도는, 기 설정된 온도 이하의 온도로서, 예를 들어, 바인더(1102)의 유리 천이 온도(Tg) 이하의 온도이다. 또한, 제 1 온도는, 예를 들어, 발열량은 감안한 온도로서 10℃ 이하의 온도이다. 제 1 형태의 혼합 물질(1110)을 형성하는 공정은, 제 1 온도를 유지하면서 수행된다.
도 1 내지 도 2에서 설명한 바와 같이, 실시예들에 따른 전극 제조 방법은 별도의 용매를 사용하지 않고 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)를 혼합하는 방안을 제공한다. 또한, 실시예들은 용매를 이용하지 않음으로써, 용매 내에 바인더, 도전재와 같은 입자들을 선분산시키는 작업이 요구되지 않아 효율적이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전극 제조 방법은 제 1 형태의 혼합 물질(1110)에 힘을 가하여 제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 형성하는 단계(s102)를 포함한다.
구체적으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 제 2 형태의 혼합 물질(1120)은 활물질(1101) 및 도전재(1103) 중 적어도 하나의 적어도 일부와 활물질(1101) 및 도전재(1103) 중 적어도 하나의 적어도 다른 일부를 연결하는 바인더(1103)를 포함한다.
제 2 형태의 혼합 물질(1120)에 포함되는 바인더(1102)는 실이 풀려 있는 형태를 갖는다. 설명의 편의를 위하여 제 2 형태의 혼합 물질(1120)에 포함되는 바인더(1102)로서 풀려 있는 형태 바인더(1102)를 제 2 상태의 바인더라고 칭한다.
제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 형성하는 단계(s102)는 바인더(1102)를 제 1 상태의 바인더로부터 제 2 상태의 바인더로 전환하기 위하여, 제 1 형태의 혼합 물질(1110)에 기 설정된 값 이상의 힘을 가한다. 힘은 물리적인 힘으로서, 예를 들어, 전단력 또는 압축력을 포함한다. 이때, 힘을 가하기 위한 장치 및 그 작용에 대하여는 도 8 내지 도 11에서 후술한다.
제 2 형태의 혼합 물질(1120)은 아래와 같은 공정을 통해 형성된다.
제 2 형태의 혼합 물질(1120)의 제조 방법은 제 1 형태의 혼합 물질(1110)을 기 설정된 온도 이상에서 가열하는 단계를 포함한다. 제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 형성하는 공정은 제 2 온도에서 수행된다. 기 설정된 온도는, 예를 들어, 바인더(1102)의 유리 천이 온도이다. 또한, 제 2 온도는, 예를 들어, 제 2 형태의 혼합 물질(1120)의 적어도 일부의 손상 또는 변형을 방지하기 위한 온도로서, 200℃ 이하의 온도이다. 제 1 형태의 혼합 물질(1110)을 형성하는 공정은, 제 1 온도를 유지하면서 수행된다. 이때, 제 2 온도는 제 1 온도보다 크다.
제 2 형태의 혼합 물질(1120)의 제조 방법은 제 1 상태의 바인더가 제 2 상태의 바인더가 되도록 제 1 형태의 혼합 물질(1110)에 기 설정된 값 이상의 힘을 가하는 단계를 포함한다. 이때, 제 2 형태의 혼합 물질(1120)의 제조 공정이 제 2 온도에서 진행됨에 따라, 제 1 상태의 바인더가 제 2 상태의 바인더로 전환되는 속도가 빨라진다.
이와 같이, 제 2 형태의 혼합 물질(1120)은 온도의 제어를 통해 형태가 제어된다.
예를 들어, 바인더(1102)가 제 1 천이 온도와 제 1 천이 온도보다 높은 제 2 천이 온도를 갖는 경우에 있어서, 제 1 천이 온도 이하에서 제 1 형태의 혼합 물질(1110)을 제조한다. 이에 따라, 바인더(1102)의 상태가 변하지 않으면서 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)의 입자들이 고루 섞이게 된다. 또는, 제 1 천이 온도 초과, 제 2 천이 온도 이하에서 제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 제조한다. 이에 따라, 바인더(1102)의 입자들은 느슨해지면서 풀어지는 상태가 된다. 또는, 제 2 천이 온도 이상에서 제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 제조한다. 이에 따라, 바인더(1102)의 풀어짐 정도가 더 향상된다.
제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 형성하는 공정에서, 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)에 가해지는 힘은 기 설정된 속도 이하에서 가해진다.
도 1 및 도 3에서 설명한 바와 같이, 제 1 상태의 바인더가 제 2 상태의 바인더로 바뀜에 따라, 실시예들은 별도의 용매 없이도 활물질(1101) 및 도전재(1103) 중 적어도 하나의 적어도 일부와 활물질(1101) 및 도전재(1103) 중 적어도 하나의 적어도 다른 일부를 연결하는 방안을 제공한다. 이를 통해, 활물질(1101) 및 도전재(1103) 입자들은 파우더 상태에서 연결(bonding)이 이루어진다.
이때, 제 1 형태의 혼합 물질(1110)에 가해지는 힘은, 2 이상의 방향으로 가해진다. 예를 들어, 기 설정된 값 이상의 힘은 하나 또는 그 이상의 방향으로서, 불특정한 방향으로 힘을 가한다. 이를 통해, 실시예들은 다방향으로서, 예를 들어, MD 방향, TD 방향에 대하여도 높은 강도를 갖는 활물질층을 제조하는 방법을 제공한다. 이를 통해, 실시예들은 2 이상의 방향에 대하여 인장성을 갖는다. 이때, 기 설정된 값 이상의 힘은, 바인더(1102)의 종류 및 바인더가 homo-polymer 인지 co-polymer 인지 여부에 따라 계산된다.
한편, 도 4는, 제 1 형태의 혼합 물질(1110)에 포함되는 활물질(1101) 및 도전재(1103)가 기 설정된 값 이상의 힘을 받음에 따라 제 2 형태의 혼합 물질(1120)에 포함되는 활물질(1101) 및 도전재(1103)로 되는 과정을 도시한 것이다.
도 4의 (a), (b), (c), (d) 는 순차적인 관계를 나타낸다.
도 4의 (a)는 도 1 및 도 2에서 설명한 혼합 전 파우더 상태의 활물질(1101) 및 도전재(1103)를 나타낸 것이다. 이하에서는, 물리적인 힘이 가해지기 전의 활물질(1101) 및 도전재(1103)를 1차 입자라고 칭한다.
도 4의 (b) 내지 (d)는 도 1 및 도 3에서 설명한 기 설정된 값 이상의 힘을 받은 활물질(1101) 및 도전재(1103)를 나타낸 것이다. 도 4의 (b)에서 (d)를 향해 감에 따라, 활물질(1101) 및 도전재(1103)의 크기가 점점 커지는 것을 알 수 있다. 이때, 물리적인 힘을 받아 성장한 활물질(1101) 및 도전재(1103)를 2차 입자라고 칭한다. 즉, 2차 입자는 1차 입자에 대하여 물리적인 힘이 가해지면서 1차 입자들이 서로 성장하거나 및/또는 모이면서 형성된다.
도 1 및 도 4에서 설명한 바와 같이, 1차 입자의 전부 또는 일부가 물리적인 힘에 의하여 2차 입자로 됨에 따라, 활물질층(1100) 내에 포함되는 이온의 접근성, 확산 속도 및/또는 전기 전도도가 개선된다. 즉, 실시예들은 성능이 향상된 전지를 제조할 수 있는 활물질층(1100)을 제조하는 방안을 제공한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전극 제조 방법은 제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 압연하여 제 3 형태의 혼합 물질(1130)을 형성하는 단계(s103)를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 3 형태의 혼합 물질(1130)은 시트(sheet) 형태를 포함한다.
구체적으로, 제 3 형태의 혼합 물질(1130)을 형성하는 방법은, 제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 가열하는 단계를 포함한다. 제 3 형태의 혼합 물질(1130)을 형성하는 공정은, 기 설정된 온도 이상의 제 3 온도에서 수행된다. 기 설정된 온도는, 예를 들어, 바인더(1102)의 유리 천이 온도이다. 또한, 예를 들어, 제 3 온도는 제 2 형태의 혼합 물질(1120)의 적어도 일부의 손상 또는 변형을 방지하기 위한 온도로서, 200℃ 이하의 온도이다.
제 3 형태의 혼합 물질(1130)을 형성하는 방법은, 가열된 제 2 형태의 혼합 물질(1120)을 소정의 두께를 갖도록 압연하는 단계를 포함한다. 이때, 제 2 형태의 혼합 물질(1130)에 대한 압연은 1회 또는 복수 회 수행된다. 1회 또는 복수 회의 압연을 통해, 제 2 형태의 혼합 물질(1120)은 목표로 하는 두께를 갖는 시트 형상의 제 3 형태의 혼합 물질(1130)이 된다.
제 2 형태의 혼합 물질(1120)은, 압연을 위하여 예를 들어 롤러 내부에 투입된다. 이때, 롤러 사이의 갭을 조절함으로써, 제 2 형태의 혼합 물질(1120)에 가해지는 압축력 및/또는 전단력이 제어된다. 제 2 형태의 혼합 물질(1120)은, 롤러 내부로 투입된 진행 방향으로 압착력 및 전단력을 받아 시트 형태를 갖는 제 3 형태의 혼합 물질(1130)이 된다.
도 1 및 도 5에서 설명한 바와 같이, 실시예들에 따른 전극 제조 방법은, 원하는 품질 및 두께를 갖는 시트 형상의 활물질 층을 제조하는 방법을 제공한다.
도 1 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 실시예들에 따른 전극 제조 방법은 용매를 사용하지 않음으로써, 용매의 재료비 및 용매를 제거하기 위한 시설 비용과 시간을 절약 및 절감한다. 또한, 실시예들은 별도의 건조 공정이 필요하지 않아 시간 및 비용을 절감한다. 또한, 실시예들은 용매에 포함되는 환경 물질을 이용할 염려가 없으므로, 환경에 대한 기여가 가능하며 환경 물질 이용에 대한 제약으로부터 자유롭다. 나아가, 실시예들은 활물질의 고로딩(high loading)이 가능하여 실시예들에 따른 전극 제조 방법에 따른 활물질 층을 이용하는 전지의 성능을 향상시킨다.
도 6은 실시예들에 따른 활물질층에 대한 SEM 촬영 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 도 1 내지 도 5에서 설명한 실시예들에 따른 전극 제조 방법을 통해 제조한 활물질 층(1100)을 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통해 촬영한 이미지이다.
활물질 층(1100)에 있어서, 활물질(1101) 및 도전재(1103)는 파우더 형태를 갖는 입자들이다. 또한, 활물질 층(1100)에서, 바인더(1102)는 실과 같은 형태를 갖는 물질들이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 활물질(1101) 및 도전재(1103) 중 적어도 일부는 활물질(1101) 및 도전재(1103)의 적어도 다른 일부와 바인더(1102)에 의해 연결된다. 또한, 활물질층(1130)은 불균일한 형상 및 크기를 갖는 입자들을 포함한다.
실시예들에 따른 전극 제조 방법은, 활물질층(1100)을 집전체(1200) 상에 적층 또는 부착하는 단계를 더 포함한다. 이때, 활물질층(1100)은 제 3 형태의 혼합 물질(1130)로서, 소정의 두께를 갖는 시트화가 완료된 상태이다. 또한, 전극 제조 방법은, 후공정으로서, 제조된 전극(1000)의 이송을 위하여 권취 단계를 더 포함할 수 있다.
도 7에서는, 도 1 내지 도 6에서 설명한 제조 방법에 의해 제조된 활물질층(1100)이 집전체(1200) 상에 마련된 전극(1000)에 대해 설명한다.
도 7은 실시예들에 따른 전극을 개략적으로 나타낸 것이다.
실시예들에 따른 전극(1000)은 집전체(1200) 및 집전체(1200) 상에 마련되는 활물질층(1100)을 포함한다.
실시예들에 따른 활물질층(1100)은 도 1 내지 도 6에서 설명한 제조 방법을 통해 제조한 활물질층(1100)이다. 따라서, 활물질층(1100)은 2 이상의 방향성을 갖고, 예를 들어, MD 방향 및 TD 방향 모두에서 강도를 갖는다.
실시예들에 따른 집전체(1200)는 활물질(1102, 도 1 참조)에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 또는 활물질(1102)에서 전자를 받아 외부로 흘려 보내는 통로 역할을 한다. 집전체(1200)는, 예를 들어, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 스테인레스 스틸(STS), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 소성 탄소 또는 이들을 이용하여 표면 처리 된 금속 및 합금이다. 그러나, 집전체(1200)는 이에 한정되지 않으며, 전지(1000)에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 갖는 것이면 어떤 것이어도 된다.
이를 통해, 실시예들에 따르면, 자립(free-standing) 가능하고, 플렉서블(flexible) 특성을 갖는 전극을 제공한다. 또한, 실시예들에 따른 전극은 고로딩 전극을 포함함으로써, 전지(1000)에 대해 향상된 성능을 제공한다.
이하에서는, 도 1 내지 도 7에서 설명한 활물질층(1100)의 제조 과정에 있어서, 활물질(1101), 바인더(1102) 및 도전재(1103)에 대하여 기 설정된 값 이상의 힘을 가하는 장치 및 방법에 대하여 상술한다.
도 8은 상면에서 본 실시예들에 따른 피딩 유닛(feeding unit)을 도시한 것이다.
실시예들에 따른 피딩 유닛(feeding unit)(2100)은 하나 또는 그 이상의 한 쌍의 롤러(2110, 2120)를 포함한다. 한 쌍의 롤러는 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120)를 포함한다. 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120)는 소정의 간격(d)을 갖고 서로 이격되어 배치된다. 또한, 피딩 유닛(2100)은 한 쌍의 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120) 상에 가이드(2130)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 피딩 유닛(2100)이 복수 개의 쌍의 롤러를 포함하는 경우, 가이드는 하나 또는 복수 개이다.
제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120)는, 도 8에서 설명하는 압출기(2000) 내부로 파우더가 정량으로 공급되도록 한다. 구체적으로, 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120)는, 소정의 간격(d)을 통해 일정한 체적(volume)을 갖는 파우더가 압출기(2000) 내부로 연속적으로 투입되도록 한다. 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120)는 서로 동일한 속도로 회전하되, 서로 다른 방향으로 회전한다. 이때, 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120) 사이의 간격(d)은 가변 가능하다.
제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120) 사이의 간격(d)은 수동으로 제어 가능하다. 이를 통해, 사용자는 실시간으로 필요한 정도의 간격(d)을 제어한다.
또는, 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120) 사이의 간격(d)은 자동으로 제어 가능하다. 이 경우, 피딩 유닛(2100)은, 센서(도시하지 않음), 메모리(도시하지 않음) 및 제어부(도시하지 않음)를 더 포함한다.
실시예들에 따른 센서는 피딩 유닛(2100) 내부로 투입되는 파우더의 양을 센싱한다. 센서는, 예를 들어, 근접센서(proximity sensor), 조도 센서(illumination sensor), 자기 센서(magnetic sensor), 적외선 센서(IR 센서: infrared sensor), 초음파 센서(ultrasonic sensor), 환경 센서(예를 들어, 기압계, 습도계, 온도계, 방사능 감지 센서, 열 감지 센서, 가스 감지 센서 등) 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예들에 따른 메모리는 파우더의 양에 따른 제어에 대한 명령을 저장한다. 메모리는 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나를 포함한다. 메모리는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나이다.
실시예들에 따른 제어부는 피딩 유닛(2100)에 포함되는 구성 요소의 전부 또는 일부를 제어한다. 제어부는 예를 들어, CPU(Central processing unit)와 같은 일반적인 프로세서(processor)로서 피딩 유닛(2100) 내부에 내장된다. 그러나, 제어부는 피딩 유닛(2100) 내부에 물리적으로 위치하지 않고, 통신부(도시하지 않음)를 통해 피딩 유닛(2100)을 제어할 수도 있다. 이 경우, 제어부는 외부 서버에 대응된다. 이때, 통신부는 외부 서버 또는 통신망과 유선 또는 무선을 통해 데이터 송수신 가능하다.
피딩 유닛(2100)은, 센서를 통해 피딩 유닛(2100) 내에 메모리에 기 저장된 파우더의 정량 범위가 투입되는지를 센싱하고, 기 저장된 파우더의 정량 범위로부터 벗어나는 양이 투입되는 경우 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120) 사이의 간격(d)을 자동으로 제어한다.
또한, 피딩 유닛(2100)은, 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120)의 회전 속도를 조절함으로써, 파우더가 정량으로 공급되도록 한다.
또한, 피딩 유닛(2100)은, 가이드(2130)를 제어함으로써, 도 9에서 설명하는 압출기(2000)로 파우더가 정량 공급되도록 한다.
이와 같이, 피딩 유닛(2100)은 롤러(2100)를 통해 압출기(2000) 내부로 공급되는 파우더의 양을 조절함으로써, 일정한 양의 파우더를 이용하여 기 설정된 규격에 적합한 시트(예를 들어, 도 1 내지 도 6에서 설명한 활물질층)을 생성한다.
가이드(2130)는 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120) 상에 위치하는 개폐 장치이다. 가이드(2130)에 의해 조작되는 개폐 방향은 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120)의 회전 방향에 수직하다. 가이드(2130)는 개폐를 통해 제 1 롤러(2110) 및 제 2 롤러(2120)로 투입되는 파우더의 양 자체를 조절한다.
피딩 유닛(2100)은 도 9에서 설명하는 압출기(2000) 상에 마련되거나 또는 압출기(2000)와 연결되는 구조로서 배치된다. 이하에서는, 피딩 유닛(2100)으로부터 파우더를 공급받는 압출기(2000)에 대해 상술한다.
도 9는 실시예들에 따른 압출기를 나타낸 것이다.
도 9는 파우더를 투입하여 압출하기 위한 압출기(2000)를 나타낸다. 이때, 파우더는, 예를 들어, 도 1 및 도 3 에서 설명한 가열된 상태의 제 2 형태의 혼합 물질(1120)이다. 그러나, 파우더는 입자 형태를 포함하는 고체 물질을 모두 포함한다.
실시예들에 따른 압출기(2000)는, 배럴(barrel)(2200), 배럴(2200) 내부에 마련되는 하나 또는 그 이상의 스크류(screw)(2300) 및 스크류(2300)를 구동하는 구동부(2400)를 포함한다. 또한, 압출기(2000)는 도 8에서 설명한 피딩 유닛(2100)으로부터 파우더를 공급받을 수 있다.
압출기(2000)는 압출기(2000)에 투입되는 파우더에 대하여 2 이상의 방향으로 기 설정된 값 이상의 힘을 가한다. 이때, 힘은 전단력 및/또는 압축력을 포함한다.
실시예들에 따른 배럴(2200)은 내부에 공간을 갖는다. 배럴(2200)은 도 8에서 설명한 피딩 유닛(2100)을 통해 투입된 파우더가 스크류(2300)를 통해 이동하도록 돕는다. 또한, 배럴(2200)은 스크류(2300)와 함께 또는 단독으로 파우더에 대해 힘을 가한다.
실시예들에 따른 스크류(2300)는 회전을 통해 파우더를 압출한다. 스크류(2300)는 표면에 나선형 블레이드(blade)를 포함한다. 스크류(2300)는 스크류 (2300)의 바디 및 블레이드를 통해 및/또는 배럴(2200)과 함께 파우더에 대해 힘을 가한다. 또한, 스크류(2300)는 기 설정된 값 이상의 힘을 파우더에 가한 경우 파우더를 외부로 배출한다.
상술한 압출기(2000)의 구성을 통해, 실시예들은 연속적으로 파우더를 투입하고 연속적으로 파우더를 배출 가능한 압출기(2000)를 제공한다. 이때, 도 1 및 도 3 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 파우더는 가열된 상태로 투입되며 압출기(2000) 내부의 온도는 일정한다. 따라서, 압출기(2000)는, 내부 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도 센서 및 발열 장치를 더 포함하여도 된다.
실시예들에 따른 압출기(2000)는 하나 또는 그 이상의 스크류(2300)를 포함한다. 이하의 도 9를 통해 하나의 스크류(2300)를 포함하는 1축 압출기에 대해 설명하고, 도 10을 통해 2 개의 스크류(2300)를 포함하는 2축 압출기에 대하여 설명한다. 그러나, 이는 예시에 불과하며, 압출기(2000)는 3 개 이상의 스크류를 포함하여도 된다.
도 10은 실시예들에 따른 압출기의 스크류를 나타낸 것이다.
실시예들에 따른 스크류(2300)는 서로 형상 및/또는 기능을 달리하는 제 1 파트(p1), 제 2 파트(p2) 및 제 3 파트(p3)를 포함한다. 제 1 파트(p1), 제 2 파트(p2) 및 제 3 파트(p3)는 순서대로 연속하여 형성된다.
제 1 파트(p1)는 표면에 제 1 피치(pitch)(b1)를 갖는 나선형 블레이드가 형성된다. 이때, 제 1 피치(b1)는 임의의 값으로서, 제 2 파트(p1)에 가까워질수록 작은 값을 갖는다.
즉, 제 1 파트(p1)는, 제 2 파트(p2)로부터 멀수록 제 1 피치(b1)가 크다. 이를 통해, 제 1 파트(p1)는 롤러(2100)를 통해 투입된 파우더를 제 2 파트(p2)를 향해 이송할 수 있다. 또한, 제 1 파트(p1)는 제 2 파트(p2)로 가까워질수록 제 2 피치(b1)가 작아지는 나선형 블레이드를 갖는다. 이와 같이, 제 1 파트(p1)는, 스크류(2300)의 회전 당 체적을 낮춤으로써, 파우더에 대해 압축력을 제공한다.
예를 들어, 압출기(2000)는 배럴(2200, 도 8 참조)의 내벽과 제 1 파트(p1)의 블레이드 사이 또는 제 1 파트(p1)의 블레이드들 사이에 위치하는 파우더에 대하여 압축력을 제공한다. 이에 따라, 파우더는 도 3 내지 도 4에서 설명한 상태로서, 예를 들어, 활물질(1101) 및/또는 도전재(1103)의 크기가 커지거나 또는 바인더(1102)가 풀리는 형태가 된다.
제 1 파트(p1)는 제 1 지름(r1) 및 제 2 지름(r2)을 갖는다. 제 2 지름(r2)는 제 1 지름(r1)보다 제 2 파트(p2)에 가까이 위치한다. 제 2 지름(r2)은 제 1 지름(r1)보다 크다. 이때, 제 1 지름(r1) 및 제 2 지름(r2)는 제 1 파트(p1)에 포함되는 연속되어 형성된 원들의 무수히 많은 지름 중 임의의 값이다. 즉, 제 1 파트(p1)는 제 2 파트(p2)에 가까워질수록 지름이 증가하는 입체 형상을 유선형의 입체 형상을 갖는다.
제 1 파트(p1)는 제 2 파트(p2)로 가까워질수록 지름이 커지는 형상을 통해 회전당 당 체적을 낮춤으로써, 파우더에 대해 압축력을 제공한다. 즉, 단위 시간당 파우더가 이동 가능한 체적이 변화됨에 따라, 파우더는 도 3 내지 도 4에서 설명한 상태가 된다.
지름 변화에 따라, 제 1 파트(p1)는 제 2 파트(p2)에 대해 단면에서 볼 때 경사를 갖게 되는데, 이때 제 2 파트(p2)에 대한 제 1 파트(p1)의 각도를 제 1 각도(θ1)라고 칭한다. 제 1 각도(θ1)는 0°를 초과하는 각도를 갖는다. 이를 통해, 제 1 파트(p1)는 파우더에 대해 압축비를 제공한다. 그러나, 제 1 각도(θ1)는 기 설정된 각도 이하의 값을 갖는다. 이를 통해 제 1 파트(p1)는 파우더로 인해 압출기(2000)가 손상되거나 또는 파우더가 손상되는 것을 방지한다.
제 2 파트(p2)는 표면에 제 2 피치(b2)를 갖는 나선형 블레이드가 형성된다. 이때, 제 2 피치(b2)는 제 1 피치(b1)보다 작다. 이를 통해 제 2 파트(p2)는 제 1 파트(p1)가 파우더에 가한 힘보다 더 큰 힘을 파우더에 가한다. 구체적으로, 제 2 파트(p2)는 촘촘하게 형성된 나선형 블레이드를 통해, 스크류(2300) 회전 시 발생하는 압축력 및 전단력을 파우더에 가한다.
예를 들어, 압출기(2000)는 배럴(2200)의 내벽과 제 2 파트(p2)의 블레이드 사이 또는 제 2 파트(p2)의 블레이드들 사이에 위치하는 파우더에 대하여 압축력 및 전단력을 제공한다. 이에 따라, 파우더는 도 3 내지 도 4에서 설명한 상태가 된다.
제 2 파트(p2)는 일정한 제 3 지름(r3)을 갖는다. 이를 통해, 제 2 파트(p2)는 파우더에 대해, 제 1 파트(p1)에서보다 더 강한 전단력 및/또는 압축력을 제공한다.
제 3 파트(p3)는 표면에 제 3 피치(b3)를 갖는 나선형 블레이드가 형성된다. 이때, 제 3 피치(b3)는 제 2 피치(b2)와 같거나 제 2 피치(b2)보다 크다. 이를 통해 제 3 파트(p3)는 파우더에 대해 힘을 가한다.
예를 들어, 압출기(2000)는 배럴(2200)의 내벽과 제 3 파트(p3)의 블레이드 사이 또는 제 3 파트(p3)의 블레이드들 사이에 위치하는 파우더에 대하여 압축력 및 전단력을 제공한다. 이에 따라, 파우더는 도 3 내지 도 4에서 설명한 상태가 된다.
또한, 제 3 파트(p3)는 제 3 지름(r4) 및 제 4 지름(r5)을 갖는다. 제 4 지름(r5)은 제 3 지름(r4)보다 제 2 파트(p2)에 멀게 위치한다. 제 3 지름(r4)은 제 4 지름(r3)보다 크다. 이때, 제 3 지름(r4) 및 제 4 지름(r5)는 제 3 파트(p3)에 포함되는 연속되어 형성된 원들의 무수히 많은 지름 중 임의의 값이다. 즉, 제 3 파트(p3)는 제 2 파트(p2)에 가까워질수록 지름이 증가하는 입체 형상을 유선형의 입체 형상을 갖는다. 즉, 제 3 파트(p3)는 제 2 파트(p2)에서 멀어질수록 지름이 작아지는 형상을 갖는다.
지름 변화에 따라, 제 3 파트(p3)는 제 2 파트(p2)에 대해 단면에서 볼 때 경사를 갖게 되는데, 이때 제 2 파트(p2)에 대한 제 3 파트(p3)의 각도를 제 2 각도(θ2)라고 칭한다. 제 2 각도(θ2)는 0°를 초과하는 각도를 갖는다. 이를 통해, 제 3 파트(p3)는 파우더가 제 1 파트(p1)를 향하여 역행(back flow)하는 것을 방지한다. 즉, 제 3 파트(p3)는 제 2 각도(θ2)를 통해 파우더를 압출기(2000)의 외부로 배출한다.
도 10에서 설명한 바와 같이, 압출기(2000)는 파우더에 대해 힘을 가함으로써 파우더가 도 3 내지 도 4에서 설명한 상태가 되도록 한다. 이하에서는, 압출기(2000)에 포함되는 스크류(2300)가 복수 개인 경우의 예시를 설명한다.
도 11은 실시예들에 따른 압출기의 스크류의 실시예를 나타낸 것이다.
도 11은 복수 개의 스크류(2310, 2320)를 복수 개의 스크류(2310, 2320)의 회전축에 대해 수직한 방향의 단면을 나타낸 것이다. 이때, 복수 개의 스크류(2310, 2320)에 형성된 나선형 블레이드는 도 10에서 설명한 나선형 블레이드와 동일 또는 유사하다.
도 11의 (a)는 제 1 스크류(2310) 및 제 2 스크류(2320)가 동일한 속도로 동일한 방향(co-rotating)으로 회전하는 것을 나타낸 것이다. 이 경우 압출기(2000) 내부로 투입된 파우더는, 제 1 스크류(2310) 및 제 2 스크류(2320) 각각의 블레이드 사이, 제 1 스크류(2310)와 배럴(2200) 사이 및/또는 제 2 스크류(2320)와 배럴(2200) 사이에서 전단력 및/또는 압출력을 받는다. 이에 따라, 파우더는 도 3 내지 도 4에서 설명한 상태가 된다.
도 11의 (b)는 제 1 스크류(2310) 및 제 2 스크류(2320)가 동일한 속도로 반대 방향(counter-rotating)으로 회전하는 것을 나타낸 것이다. 이 경우 압출기(2000) 내부로 투입된 파우더는, 제 1 스크류(2310)와 제 2 스크류(2320) 사이, 제 1 스크류(2310) 및 제 2 스크류(2320) 각각의 블레이드 사이, 제 1 스크류(2310)와 배럴(2200) 사이 및/또는 제 2 스크류(2320)와 배럴(2200) 사이에서 전단력 및/또는 압출력을 받는다. 이에 따라, 파우더는 도 3 내지 도 4에서 설명한 상태가 된다.
실시예들에 따른 전극 제조 방법 및 전극은 용매를 이용하지 않고 전극을 제조하는 방법 및 전극을 제공한다.
실시예들에 따른 압축기는 상술한 전극 제조 방법 및 전극의 제조에 이용된다. 실시예들에 따른 압축기는, 투입되는 파우더의 양을 조절한다. 또한, 실시예들에 따른 압축기는 투입된 파우더를 일정한 속도로 이동시킨다. 또한, 실시예들에 따른 압축기는 투입된 파우더에 대하여 압축력 및 전단력을 제공하여 파우더 입자들의 상태 및/또는 형태를 변형시킨다.
이상 본 발명의 실시예들에 다른 절단 장치를 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다.
당업자는 개시된 실시 형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 실시 형태를 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1000: 전극
1100: 활물질층
1101: 활물질
1102: 바인더
1103: 도전재
1110: 제 1 형태의 혼합 물질
1120: 제 2 형태의 혼합 물질
1130: 제 3 형태의 혼합 물질
1200: 집전체
2000: 압출기
2100: 롤러(roller)
2200: 배럴(barrel)
2300: 스크류(screw)
2400: 구동부
1100: 활물질층
1101: 활물질
1102: 바인더
1103: 도전재
1110: 제 1 형태의 혼합 물질
1120: 제 2 형태의 혼합 물질
1130: 제 3 형태의 혼합 물질
1200: 집전체
2000: 압출기
2100: 롤러(roller)
2200: 배럴(barrel)
2300: 스크류(screw)
2400: 구동부
Claims (20)
- 활물질 및 제 1 상태의 바인더를 포함하는 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계;
상기 제 1 형태의 혼합 물질에, 압출기를 통해, 기 설정된 값 이상의 힘을 가하여 상기 활물질 및 제 2 상태의 바인더를 포함하는 제 2 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 형태의 혼합 물질을 압연하여 제 3 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계;
를 포함하는,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는 제 1 온도에서 수행되고,
상기 제 2 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는 제 2 온도에서 수행되며,
상기 제 1 온도는 기 설정된 온도 이하이고,
상기 제 2 온도는 상기 기 설정된 온도보다 큰,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는,
상기 제 1 형태의 혼합 물질을 기 설정된 온도 이상에서 가열하는 단계; 및
상기 제 1 상태의 바인더를 상기 제 2 상태의 바인더가 되도록 상기 가열된 제 1 형태의 혼합 물질에 기 설정된 값 이상의 힘을 가하는 단계;
를 포함하는,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 기 설정된 값 이상의 힘은 상기 제 1 형태의 혼합 물질에 대해 2 이상의 방향으로 가해지는,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 상태의 바인더는 파우더 형상을 갖고,
상기 제 2 상태의 바인더는 상기 활물질의 적어도 일부와 상기 활물질의 적어도 다른 일부를 연결하는 풀려 있는 형상을 갖는,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는,
상기 활물질, 상기 제 1 상태의 바인더 및 도전재를 동시에 투입하는 단계; 및
상기 활물질, 상기 제 1 상태의 바인더 및 상기 도전재를 혼합하는 단계;
를 포함하는,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는,
상기 활물질의 외부에 도전재를 코팅하는 단계;
상기 도전재가 코팅된 활물질에 상기 제 1 상태의 바인더를 투입하여 혼합하는 단계;
를 포함하는,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 형태의 혼합 물질을 형성하는 단계는,
상기 제 2 형태의 혼합 물질을 가열하는 단계; 및
상기 가열된 제 2 형태의 혼합 물질을 소정의 두께를 갖도록 압연하는 단계;
를 포함하는,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 상태의 바인더 및 상기 제 2 상태의 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는,
전극 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 형태의 혼합 물질에 포함되는 상기 활물질은 파우더(powder) 형태인,
전극 제조 방법. - 집전체;
상기 집전체 상에 마련되고, 활물질 및 바인더를 포함하는 활물질 층; 을 포함하고,
상기 바인더는,
파우더 형태의 상기 활물질의 적어도 일부와 상기 파우더 형태의 활물질의 적어도 다른 일부를 연결하는,
전극. - 제 11 항에 있어서,
상기 활물질 층은 2 이상의 방향성을 갖는,
전극. - 제 11 항에 있어서,
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는,
전극. - 제 11 항에 있어서,
상기 활물질은 파우더(powder) 형태인,
전극. - 파우더를 압출하는 압출기에 있어서,
내부에 공간을 갖는 배럴(barrel);
회전을 통해 상기 파우더를 압출하고, 상기 배럴 내부에 마련되는 하나 또는 그 이상의 스크류(screw); 및
상기 스크류를 구동하는 구동부;
를 포함하고,
상기 스크류는,
제 1 피치(pitch)를 갖는 나선형 블레이드(blade)가 형성되는 제 1 파트; 및
상기 제 1 파트와 연속되어 형성되고, 상기 제 1 피치보다 작은 제 2 피치를 갖는 나선형 블레이드가 형성되는 제 2 파트;
를 포함하는,
파우더를 압출하는 압출기. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 피치는,
상기 제 2 파트에 가까워질수록 작아지는,
파우더를 압출하는 압출기. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 파트는,
제 1 지름 및 상기 제 1 지름보다 상기 제 2 파트에 가까운 제 2 지름을 갖도록 형성되고,
상기 제 2 지름은 상기 제 1 지름보다 큰,
파우더를 압출하는 압출기. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 2 파트는 일정한 지름을 갖도록 형성된,
파우더를 압출하는 압출기. - 제 15 항에 있어서,
상기 스크류는,
상기 제 2 파트와 연속되어 형성되고, 제 3 지름 및 상기 제 3 지름보다 상기 제 2 파트로부터 먼 제 4 지름을 갖도록 형성되는 제 3 파트; 를 더 포함하고,
상기 제 3 지름은 상기 제 4 지름보다 큰,
파우더를 압출하는 압출기. - 제 15 항에 있어서,
상기 압출기는,
상기 배럴 상에 마련되고, 소정의 간격을 갖고 서로 이격되어 배치되는 하나 또는 그 이상의 한 쌍의 롤러(roller);
를 더 포함하는,
파우더를 압출하는 압출기.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210158860A KR20230072286A (ko) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 전극 제조 방법, 전극 및 압출기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210158860A KR20230072286A (ko) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 전극 제조 방법, 전극 및 압출기 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230072286A true KR20230072286A (ko) | 2023-05-24 |
Family
ID=86540956
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210158860A KR20230072286A (ko) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 전극 제조 방법, 전극 및 압출기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230072286A (ko) |
-
2021
- 2021-11-17 KR KR1020210158860A patent/KR20230072286A/ko unknown
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