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1. 코팅 공정이란?
- 코팅 공정이란 mixing 공정을 통해 제조된 slurry 코터 헤드를 통과시켜 정해진 패턴 및 일정한 두께로 금속 집전체에 코팅하는 공정
- 양극, 음극 모두 동일한 형태의 공정으로 진행되며 양극은 집전체로 알루미늄 박막을 사용하여, 음극은 구리 박막을 사용하여 코팅 -> 얇은 극판을 사용하는 만큼 롤투롤 장비 제어 기술과 일정한 코팅 기술이 중요
- 건조 공정을 포함하여 전체 공정의 약 18%를 차지하며, 주로 die coater 사용
- 전지 설계의 대부분의 변수를 결정하는 공정으로, 활물질의 사용량, 전극 면적 및 두께, NP ratio (음극용량/양극용량) 결정
2. 코팅 공정의 주요 구성
- 전극 코팅은 전극 전면 및 전극 후면 코팅 2가지로 이루어짐
- Unwinding (권출 공정): Roll 상의 기재 장착 후, 일정한 장력으로 금속 집전체 또는 전면 코팅 전극을 Coater 쪽으로 공급하는 공정
- 코팅 공정: Coater 또는 Blade 이용하여 기재 위에 원료를 도포하여 Sheet 상으로 성형
- 건조 공정: Dryer 이용해 도포된 원료에 포함된 용매를 건조시키는 공정으로 건조 속도에 따라 코팅 표면에 Crack 발생할 수 있으며 이를 고려한 속도 제어 필요
- Rewinding (권취 공정): Coating 및 건조까지 완료된 극판을 감아주는 장치인 Rewinder 사용하여 건조된 sheet 상의 반제품을 Roll 상으로 권취하는 공정
3. 코터 방식 (형식)
- Roll coater: 평면의 기재에 도포하는 것을 목적으로 각종 롤러를 조합한 다양한 코터 형식들이 세분화되어 존재하며 코팅액의 상태나 코팅량에 따라 필요한 코터 방식을 선택하여 이용
- (1) Doctor Blade: Slurry를 Belt 위에 올려 놓고 얻고자 하는 두께만큼 Blade의 틈새를 열어 Slurry가 빠져 나가도록 하는 형식
- (2) Comma Bar: 액땜에 Slurry를 Main Role과 Comma Roll 사이로 통과시켜 Film에 묻히는 방식
- (3) Slot Die coating: 금형인 코팅 헤드인 슬롯 사이에 중간재인 슬러리를 통과시켜 일정 패턴과 두께로 코팅하는 방식
- (4) Lip Coater: Slurry를 Lip head 통하여 Sheet 두께에 맞는 압력으로 밀어내어 Film에 묻히는 방식
4. 코팅 공정 최적화를 위해 고려해야할 요소
- 코팅 공정은 전극의 두께 (폭, 길이 방향)의 균일화, 표면의 평활화, sheet의 기계적 강도를 부여
- 코팅용 슬러리는 대부분 고분자 용융체와 같은 복잡한 구조의 물질로 재료인 슬러리의 다양한 특성은 코팅공정의 설계 및 운영조건에 영향을 미치므로 이와 연관된 조건 컨트롤 필요
- 장비 운용시 고려 조건: 슬러리 특성, 코팅 속도, 코팅 온도, 전극 코팅 두께, 장력 제어 등
(1) 슬러리 특성: 입자 모양, 응집체 크기에 따라 슬러리 점도 및 분산 상태, 유변물성, 점탄성 등의 달라짐
- 입자 모양: 입자 모양이 불규칙할수록, 입자가 작을수록 점도가 증가함
- 슬러리 점도: 용매량이 많을수록, 온도가 높을수록 점도가 낮아짐. 점도가 높으면 코터 내부에서 슬러리 유동성이 감소하며 분산성 저하로 드래그 라인 (무지부 표면에 슬러리로 인한 끌림부) 발생 및 불균일한 전극 코팅이 진행될 수 있기에 적당한 점도를 가진 슬러리를 제조해야 함.
(2) 코팅 속도: 저점도 슬러리로 느린 코팅 속도로 코팅시, 슬러리의 표면 장력과 점탄성이 속도에 크게 영향을 미치는 반면, 고점도의 슬러리로 빠른 코팅속도 (100m min-1)로 코팅하는 경우, 집전체 속도를 슬러리의 평균 유속으로 나누어 구한 값이 코팅의 흐름에 크게 관여
(3) 전극 코팅 두께: 많은 양의 슬러리를 집전체에 할수록 두껍게 코팅 가능 -> 두꺼운 전극은 단위 면적당 에너지 밀도를 높일 수 있으나, 계면 저항의 증가로 성능 향상에 한계가 있어, 배터리 설계 시 이를 고려해야 함
- NP ratio: 음극의 용량 (mAh) 을 양극의 용량으로 나눈 값으로 NP 비율에 따라 배터리 성능과 안정성이 결정
-> 낮은 NP 비율: 배터리 용량 (상승) & 안정성 (저하)
(4) 로딩 레벨: 단위면적당 슬러리의 무게 (mg)를 말하는 것으로 얼마나 많은 활물질이 코팅되어 올라갔는지를 판단하는 척도. 단위는 mg/cm^2 사용.
5. 코팅 공정의 종류
- Roll-to roll coating: 두 롤러 사이에 유연한 집전체를 컨베이어 벨트를 따라 슬러리를 연속 코팅하는 공정으로 대면적 코팅, 고속 대량생산에 용이
- Mayer rod coating: 스테인리스 스틸 와이억가 감긴 금속 막대로 집전체에 코팅된 슬러리 양을 조절하며, 슬러리 두께는 와이어의 직경의 0.1배로 계산하며, 와이어 직경으로 제어 가능
- Spray coating: 압축된 공기에 의해서 노즐에서 분사되는 코팅액을 집전체 위에 도포하는 공정으로 금속, 고분자 등 모든 소재가 코팅 가능
- Doctor blading: 슬러리를 집전체에 도포 후, 집전체 표면과 일정한 간격을 유지하도록 설계된 날카로운 칼날을 지나가게 하는 방식으로 코팅. 스프레이 코팅보다 정밀하고 일정한 두께의 슬러리 코팅 가능
6. 코팅 관련 최근 연구 개념: 건식 코팅
- 일반적인 전극의 제조 공정은 활물질, 도전재, 바인더를 유기 용매에 녹여 믹싱 후 코팅하는 습식 코팅을 진행하며 그 다음 유기 용매를 증발하는 건조 공정 거침 -> 시간, 비용뿐만 아니라 유기용매 회수 과정에서 많은 에너지가 함께 소모
- 건식 코팅은 유기용매 없이 활물질, 바인더, 도전재를 믹싱 후 열과 압연을 통해 전극에 코팅하는 방식
- 건식 코팅은 유기용매를 사용하지 않아 친환경적이며 비용 절감이 될 뿐 아니라, 전극의 활물질을 두껍게 코팅하는 후막전극 제작이 가능하다는 장점을 가지는 반면, 습식 코팅에 비해 분산성이 떨어져 품질이 떨어지게 된다는 단점이 있어 고르게 분산되기 위한 코팅 연구가 활발하게 이루어지고 있음.
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