배터리 코팅 장비: 리튬 이온 배터리 생산의 핵심 장비
코팅 기술은 유체 특성 연구를 기반으로 하는 공정으로, 일반적으로 유연한 필름이나 배킹 페이퍼와 같은 기판 위에 한 겹 이상의 액체 층을 코팅하는 방식입니다. 코팅된 액체 층은 오븐에서 건조 또는 경화되어 특수 기능성 필름층을 형성합니다. 현재 리튬 이온 배터리 전극 코팅의 주요 방법으로는 콤마 롤러 전사 코팅과 슬릿 압출 코팅이 있습니다.
1. 원리 및 분류배터리 코팅기장비:
배터리 용량에 미치는 영향 코팅 공정 중 전극 시트의 양극 및 음극 페이스트 층의 두께가 서로 다르면(예: 앞면, 중간면, 뒷면의 두께 차이) 배터리 충방전 시 활물질의 반응 정도에도 차이가 발생합니다. 이는 배터리 용량이 과도하게 낮아지거나 높아지는 결과를 초래할 수 있습니다. 더욱이, 이러한 두께 불균일은 배터리 사이클 중 리튬 도금을 유발할 가능성이 더 높습니다. 리튬 도금은 배터리 내 활성 리튬을 서서히 소모시켜 용량 유지율에 심각한 영향을 미치고 배터리 수명을 단축시킵니다.
2. 리튬전지 코팅기의 코팅방법
리튬 이온 배터리의 연구, 개발 및 생산 과정에서 연구원과 엔지니어들은 다양한 생산 요건을 충족하기 위해 다양한 코팅 방법을 개발해 왔습니다. 현재 가장 널리 사용되는 코팅 방법은 콤마롤 전사 코팅과 슬롯다이 압출 코팅입니다.
2.1 콤마롤 전사 코팅
작동 원리: 콤마 롤 전사 코팅은 전통적인 코팅 방식입니다. 코팅 롤과 콤마 블레이드 사이의 간격을 조정하여 페이스트를 코팅 롤에 계량하는 것으로 공정이 시작됩니다. 이후 백업 롤과 코팅 롤 사이의 간격을 조정하여 코팅 롤에 계량된 페이스트를 알루미늄 호일 또는 구리 호일 기판에 완전히 전사합니다.
2.2 슬롯다이 압출 코팅
작동 원리: 슬롯 다이 압출 코팅은 고정밀 사전 계량 코팅 방식입니다. 계량 펌프를 사용하여 뉴턴 또는 비뉴턴 유체 페이스트를 슬롯 다이에 공급합니다. 압력을 가하면 페이스트가 다이 슬롯에서 고르게 압출되어 균일한 액체 필름을 형성하고, 이 필름이 기판 표면에 코팅됩니다.
3.1 풀림 및 장력 제어 시스템
언와인딩 메커니즘: 언와인딩 메커니즘은 코팅 공정의 시작점입니다. 주요 기능은 알루미늄 호일이나 구리 호일과 같은 기판을 안정적으로 운반하고 방출하는 것입니다. 일반적으로 언와인딩 편차 보정 시스템이 장착되어 있어 언와인딩 중 기판의 편차를 실시간으로 정확하게 감지할 수 있습니다. 편차가 감지되면 시스템은 기판이 미리 정해진 경로를 따라 안정적으로 이동하도록 자동으로 조정하여 후속 코팅 작업에 안정적인 기판 공급을 제공합니다.
3.2 공급 시스템
페이스트 이송: 공급 시스템은 잘 혼합된 페이스트를 코팅 다이에 안정적으로 공급하는 역할을 합니다. 실제 적용에서는 스크류 펌프 또는 기어 펌프가 페이스트 이송에 일반적으로 사용됩니다. 이러한 펌프는 ±0.5%의 유량 제어 정확도로 안정적인 유량을 제공하여 코팅 공정 중 안정적인 페이스트 공급을 보장하고 페이스트 유량 변동으로 인한 코팅 두께 불균일과 같은 문제를 방지합니다.
3.3 코팅 Dies
전사 다이: 배터리 코팅기용 전사 다이는 주로 코팅 롤, 스크레이퍼, 백업 롤과 같은 부품으로 구성됩니다. 배터리 코팅기 작동 시, 코팅 롤에 계량되는 페이스트의 양은 코팅 롤과 전사 다이의 스크레이퍼 사이의 간격을 조절하여 제어됩니다. 그런 다음, 전사 다이의 백업 롤과 코팅 롤 사이의 간격을 조절하여 계량된 페이스트를 배터리 코팅기의 기판으로 전사합니다. 배터리 코팅기에 적용되는 이러한 유형의 다이는 비교적 간단한 구조를 가지고 있습니다. 그러나 배터리 코팅기에서는 기계 부품의 가공 정밀도, 배터리 코팅기에서 전사 다이의 간격 조정 정밀도 등 다양한 요인의 제약으로 인해 코팅 정밀도가 상대적으로 낮습니다. 따라서 전사 다이는 코팅 정밀도가 덜 요구되는 배터리 코팅기에 적합합니다.
3.4건조 시스템
오븐 설계: 건조 시스템의 오븐은 코팅된 전극 시트를 건조하는 핵심 장치입니다. 오븐은 일반적으로 5~8개의 구간으로 구분된 분할형 온도 제어 방식을 채택합니다. 각 구역의 온도를 정밀하게 제어함으로써, 전극 시트는 건조 과정에서 페이스트의 용매를 점진적이고 균일하게 제거할 수 있습니다. 오븐에는 전기 가열, 열전달 오일 가열, 증기 가열 등 다양한 가열 방식이 있습니다. 가열 과정에서 오븐 내 공기 속도 균일도는 ±5%에 도달해야 전극 시트의 모든 부분이 균일하게 건조됩니다. 이를 통해 불균일한 공기 속도로 인한 건조도의 불균형을 방지하고 전극 시트의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.
4. 방정식코팅 성능에 영향을 미치는 장비 요인 코팅 성능은 상호 연관된 여러 장비 요인의 영향을 받습니다. 한 장비에 문제가 발생하면 코팅 품질이 저하될 수 있습니다.
4.1 장비 정확도 및 안정성
장력 변동: 앞서 언급했듯이, 코팅 공정 중 기판 장력의 안정성은 코팅 품질에 매우 중요합니다. 장력 편차가 1%를 초과하면 기판이 미끄러지거나 늘어나 변형되기 쉽습니다. 미끄러짐은 코팅 공정 중 기판과 코팅 다이 사이의 상대적 위치를 변화시켜 코팅 두께 불균일을 초래할 수 있습니다. 반면, 늘어나 변형은 기판의 물리적 특성을 변화시켜 배터리의 전반적인 성능에 영향을 미칩니다. 따라서 코팅 품질을 보장하기 위해서는 고정밀 장력 제어 시스템이 필수적입니다.
4.2 온도 및 습도 제어
페이스트 온도: 페이스트의 온도는 점도에 직접적인 영향을 미칩니다. 페이스트 온도가 1℃ 이상 변동하면 점도는 ±5%까지 변동할 수 있습니다. 점도 변화는 코팅량의 편차로 이어집니다. 예를 들어, 점도가 증가하면 코팅량도 증가하고, 점도가 감소하면 코팅량도 감소할 수 있습니다. 두 경우 모두 코팅의 두께 균일성과 배터리 성능의 일관성에 영향을 미칩니다. 따라서 코팅 품질을 보장하려면 페이스트 온도를 정밀하게 제어하는 것이 매우 중요합니다.
건조 온도: 건조 온도 제어는 코팅 전극 시트의 품질에 결정적인 역할을 합니다. 오븐 건조 과정에서 분할 온도 제어가 부적절하면, 예를 들어 전면부의 온도가 너무 높으면 전극 시트 표면의 용매가 빠르게 증발하여 표면에 크러스트를 형성하고, 내부 용매는 적시에 증발하지 못합니다. 이는 코팅 박리 또는 배터리 마이크로 쇼트와 같은 문제로 이어질 수 있습니다. 따라서 오븐 각 부분의 온도를 적절하게 설정하고 온도 안정성을 보장하는 것이 전극 시트의 건조 품질을 보장하는 핵심입니다.
4.3 페이스트 이송 및 유동장 안정성
공급 압력 변동: 슬롯다이 압출 코팅에서 공급 압력의 안정성은 코팅 두께 균일성과 직접적인 관련이 있습니다. 공급 압력이 5% 이상 변동하면 코팅 두께가 불균일해지고 줄무늬 또는 물결 무늬와 같은 결함이 발생합니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 일반적으로 공급 시스템에 버퍼 탱크를 설치하고 폐쇄 루프 압력 제어 기술을 채택하여 공급 압력의 안정성을 확보해야 합니다.
5. 배터리 코팅기의 기술 개발 동향 리튬이온 배터리 기술이 지속적으로 발전하고 시장에서 배터리 성능에 대한 요구 사항이 점점 더 엄격해짐에 따라 배터리 코팅기도 지속적인 기술 혁신과 업그레이드를 거치고 있으며, 다음과 같은 주요 개발 동향을 보여줍니다.
