2차 전지 제조 시의 도포·도공

2차 전지 제조 시의 도포

일본에서 발명된 리튬 이온(LiB) 2차 전지는 전자 기기의 소형화·모바일화와 더불어 전세계로 보급되었습니다. 현재도 스마트폰·태블릿, 노트북 등 소형·슬림형 모바일 기기나 EV(전기 자동차)·HEV(하이브리드 자동차)의 차량 탑재용 배터리, 주택용 태양광 발전·연료 전지의 축전 시스템 등 용도의 확대를 배경으로, 2차 전지의 더욱 진화된 소형화나 대용량화, 안전성 향상을 위해 연구·개발이 진행되고 있습니다.

또한, 전해액과 세퍼레이터를 고체 전해질로 치환하는 「전고체 전지(전고체 리튬 이온 전지)」가 미래의 실용화와 보급을 위해 널리 연구되고 있습니다. 전고체형은 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고 전해액이 없어 발화가 잘 되지 않으며 설계 자유도가 높기 때문에 차세대의 전지로 기대받고 있습니다. 이 분야에서도 도포를 많이 이용한 높은 양산성이 동시에 연구되고 있습니다.

2차 전지 제조 시의 「접착」

리튬 이온 2차 전지의 셀 외장은 최종 용도에 따라 원통형, 사각형, 라미네이트(파우치)형 등이 있고 제조 공정도 다양합니다. 금속 캔 타입에 비해 슬림 및 경량이며 성형의 자유도가 높고 폐기가 쉬워 환경 부하가 낮다는 점 때문에 알루미늄박과 수지를 접착제의 도공(도포)으로 접착한 라미네이트 필름을 이용하여 적층 전극(적층 엘리먼트)을 밀봉하는 「라미네이트형 셀」에 대한 요구가 높아지고 있습니다.

라미네이트형 셀 제조 시의 접착
리튬 이온 2차 전지 셀은 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 끼워 교차로 쌓은 「적층 전극(적층식 엘리먼트)」 등을 밀봉하여 제조합니다. 라미네이트형 셀은 슬림 및 경량이면서 대용량인 동시에 표면적이 넓고 방열성이 높아 충방전 시의 온도 상승을 억제할 수 있습니다. 또한 도공 장비를 이용하여 대량 생산이 가능하므로 제조 비용 면에서도 이점이 있습니다.
라미네이트형 셀의 구조 [적층 전극(적층식 엘리먼트)의 예]
라미네이트형 셀의 구조
  • A. 라미네이트 필름
  • B. 적층 전극(적층식 엘리먼트)
  • C. 탭
  • D. 양극
  • E. 세퍼레이터
  • F. 음극

라미네이트형 셀의 밀봉·외장에 사용하는 라미네이트 필름(A)에는 일반적으로 알루미늄박과 수지 필름이 이용됩니다. 이러한 필름에 특수한 접착제를 도공(도포)하여 라미네이트로 접착해서 적층 전극과 전해질을 밀봉합니다. 라미네이트 필름에 사용하는 접착제에는 알루미늄박과 수지 필름의 이종 기재에 대한 강한 접착력과, 내포하는 강산성 전해액에 대한 내성이 요구됩니다.

2차 전지 제조 시의 「기능 부여·표면 처리」

리튬 이온 2차 전지(LiB)의 제조 공정에서 도공(도포)은 핵심 기술입니다. 기재에 재료를 도포(도공)하는 방법으로 양극(애노드)·음극(캐소드), 그 사이를 분리하는 세퍼레이터의 기능을 부여하여 적층 전극(적층식 엘리먼트)의 부재를 제조합니다.

리튬 이온 2차 전지(LiB) 제조 시의 도공(도포)

리튬 이온 전지(LiB)의 기본 구조
리튬 이온 전지(LiB)의 기본 구조
  • A. 음극(캐소드)
  • B. 양극(애노드)
  • C. 세퍼레이터
  • D. 전해액
  • E. 충전
  • F. 방전
  • G. 집전체
  • H. 바인더
  • I. 활물질

양극(애노드)의 도공(도포)

양극 슬러리(용제계)의 예
활물질, 도전 조제, 바인더, 유기용제를 혼합한 것입니다. (또한, 수성의 경우는 유기용제가 아니라 증점제인 CMC와 물을 추가합니다).
  • 활물질: 용량이나 전압, 특성과 큰 연관성이 있습니다. 재료(예: 코발트산 리튬, 망간산 리튬, 인산 철 리튬 등)의 선정 및 혼합, 교반 방법은 기업에 따라 매우 다양합니다.
  • 도전 조제(導電 助劑): 내부 저항을 줄여 도전성을 향상시킵니다.
  • 바인더: 집전박에 혼합한 재료를 결착시킵니다.
  • 유기용제: 재료의 혼합·교반을 촉진하여 슬러리의 점도를 도공에 적합하게 만듭니다.
양극 슬러리 도공(도포)의 예
집전박인 알루미늄박에 대해 양극 슬러리를 다이 코터로 일정한 두께가 되도록 도공(도포)합니다. 전극의 두께나 질량은 전지의 에너지 밀도에 큰 영향을 미칩니다. 도막이 두꺼울수록 용량은 크고 레이트 특성은 낮아지며, 얇을수록 레이트 특성은 향상하지만 용량은 작아집니다.

음극(캐소드)의 도공(도포)

음극 슬러리(용제계)의 예
활물질, 바인더, 유기용제를 혼합하여 음극용 슬러리를 만듭니다. (또한, 수성의 경우는 유기용제가 아니라 증점제인 CMC와 물을 추가합니다).
  • 활물질: 전도성이 높은 탄소계 재료(흑연, 티탄산 리튬 등)를 사용합니다. 음극에도 도전 조제를 넣어 내부 저항을 저하시키는 경우가 있습니다. 양극과 마찬가지로 활성제의 용량이나 전압, 특성과 큰 연관성이 있습니다. 재료의 선정 및 혼합, 교반 방법은 기업에 따라 매우 다양합니다.
  • 바인더: 집전박에 혼합한 재료를 결착시킵니다.
  • 유기용제: 재료의 혼합·교반을 촉진하여 슬러리의 점도를 도공에 적합하게 만듭니다.
음극 슬러리 도공(도포)의 예
동박에 대해 음극 슬러리를 다이 코터로 일정한 두께가 되도록 도공(도포)합니다. 일반적으로 음극이 양극에 비해 얇은 도막을 형성합니다. 도막의 두께에 의한 용량이나 레이트 특성의 변화는 양극의 도포와 같습니다. 양극·음극의 용량 밸런스도 중요하여 한 쪽의 전극 막이 두꺼워지면 다른 쪽 전극도 두껍게 하는 경우가 많습니다.

세퍼레이터의 제조 공정

양극과 음극을 분리하는 중요한 부재인 세퍼레이터의 제조 공정은 다음과 같습니다. 베이스 막에 내열 성능을 부여하기 위한 코팅에 도공(도포)이 이용되고 있습니다.

  1. 베이스 막 제조 공정: 폴리올레핀 원료로 「베이스 막(미세 다공막)」을 제조합니다.
  2. 도공 공정: 아라미드 도공액(아라미드 폴리머를 합성한 도공액)을 베이스 막 위에 균일하게 도공(도포)하여 내열층을 형성합니다.
  3. 슬릿 공정: 필요한 사이즈로 재단합니다.

주목을 끌고 있는 EV(전기 자동차)나 가정용 축전지 등에 활용되는 「라미네이트형 LiB 전지」에는 적층 전극(적층식 엘리먼트)이 사용되고 있습니다.

적층 전극의 제조 공정에서는 적층식에 맞게 커트된 시트의 양극·음극을 이용하여 가장 바깥 층에 음극을 배치한 다음 세퍼레이터·양극·세퍼레이터·음극의 순서로 적층합니다. 그것을 전해액과 함께 셀로 패키징합니다.

토픽: 전지 제조 시의 도공 품질 관리

전극재의 막 두께는 용량이나 전압, 레이트 특성과 큰 관계가 있기 때문에 설계한 대로의 성능이나 사양으로 양산하려면 원하는 막 두께를 연속해서 균일하게 도공(도포)해야 합니다. 만일 도공면의 「두께 편차」나 「단면 접힘」 등이 발생하면 전지 제품의 품질·성능에 큰 영향을 미치므로 인라인에서 도공면을 고속·고정도로 측정·관리하는 것이 중요합니다.

인라인에서 고속·고정도의 측정이 가능한 「멀티 컬러 레이저 동축 변위 센서」를 도입하면 도공 표면의 거칠기나 레이저가 잘 반사되지 않는 재료의 영향을 받지 않고 안정적인 두께 측정·관리가 가능합니다.

전지 제조 시의 도공 품질 관리

도입 사례: 불투명 재료의 도공 두께 측정

도공 단면이 지나치게 두꺼워지는 「단면 접힘」 등의 도공 결함은 슬릿 형상의 레이저로 형상 측정이 가능한 「초고속 인라인 프로파일 측정기」를 이용하여 인라인에서 검출할 수 있습니다.

전지 제조 시의 도공 품질 관리

도입 사례: 단면 형상의 측정