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1. 건조 공정이란?
- 건조 공정이란 코팅 장비 내에 설치되어 있는 오븐을 이용하여 슬러리 내의 Solvent 날리는 공정
- 전극 건조는 용제 증발, 바인더 확산 및 입자 침강이라는 세 가지 물리적 공정이 영향을 미치는 공정
- 건조 공정이 없다면, 전극 내부에 습기가 남아 있으면 배터리 성능이 급격하게 저하되고 수명에 부정적인 영향을 미침
- 또한 진공 상태에서 셀의 코팅된 전극을 건조하면 습기가 최소화되고 전극 생산에 유리함
- 건조 공정은 크게 코팅된 전극 건조와 슬리팅 공정 이후 진공 건조 또는 전해질 충전 전 각형 전지 건조로 나눠짐
2. 건조 공정의 이해
- 일반적으로 잔류 수분이나 잔류 용매가 전극 내에 많이 있게 되면 다음과 같은 문제점이 야기
- 전극과 포일의 접착력 저하
- 용매가 증발하게 되면서 용매에 남아있는 바인더 성분은 고체화되면서 파우더와 금속 포일의 사이에 위치하면서 접착력이 발생하는데, 잔류 용매가 많아질수록 접착력은 감소하게 되어 전지 성능이 감소하게 됨
- 잔류 수분은 전극을 조립하면서 투입하게 되는 전해액과 반응하여 불산을 만들게 됨
- 불산이 많을수록 불필요한 전극 표면 반응을 야기시켜 전지 성능을 감소시킴
- 기본 조절 조건: 전극 제형, 코팅 두께, 건조 온도, 건조 속도 및 시간이 전극의 건조 역할을 결정
3. 1차 건조 공정
- 1차 건조 공정은 양극과 음극을 절단하기 전에 슬러리가 코팅된 전극을 건조하는 공정
- 일반적인 전지 전극의 건조 방법: 적당한 속도의 열풍을 적당한 풍량으로 코팅 전극의 상, 하에서 불게 하는 것
- 열풍을 투입하였을 때, 용매의 휘발점을 감소시키는 효과와 투입되는 열로 인하여 포일 위에 도포된 슬러리 내의 용매는 증발하게 됨
- 열풍에 의해 건조되는 건조 방식은 건조로 내의 가열된 가이드롤에 의한 열의 전도와 가열된 공기에 의한 대류에 의한 것이므로, 열풍과 닿게 되는 슬러리의 표면에서부터 건조 진행
4. 1차 건조 공정의 요구 사항
- 그러나, 실제로 표면에서의 용매의 기회가 먼저 발생되면서 표면의 슬러리 점도는 고형분이 증가함에 따라 증가하게 되며, 결과적으로 고형화가 완료되게 되면 내부의 용매분자가 표면으로 빠져 나오기가 어렵게 되어 접착력 및 잔류 수분이 많아지게 됨
- 이러한 문제 때문에, 일반적인 건조 공정은 크게 두 가지로 나눠짐
- (1) 약 100 - 120 도씨 정도로 유지: 급격한 용매 증발 억제 및 내부의 용매 분자가 기화되어 표면으로 나올 수 있도록 유도
- (2) 약 130 - 160 도씨 정도로 유지 : 고속 열풍을 분사하여 내부까지 열이 전파되어 전극 내부 잔류 용매 증
5. 적외선을 이용한 건조 공정
- 열풍을 이용하는 건조 공정은 사용하는 슬러리의 고형분 함량과 전체 휘발량 등에 따라서 어려워짐
- 이러한 단점을 해결하기 위해 적외선 기술을 적용할 수 있으며, 이는 기존 열풍 공정에서 적외선 장비를 추가하여 사용할 수 있음
- 적외선 기술은 전극 제조 공정을 정확히 제어할 수 있어 최대 80%까지 속도 향상 가능
- 수분 함량이 불균형한 경우 전극 층 두께가 불균일해지기 때문에 전극 코일은 전지 조립 전에 건조되어야 하는데, 적외선 기술은 균일하게 전극 건조가 가능하기 때문에 캘린더링 공정에 유리함
6. 2차 건조 공정 순서
- 슬리팅 공정 이후 2차 건조 공정은 진공 건조를 통해 전극에 남아있는 수분을 제거하는 공정
- 각형 전지 조립 후 2차 건조 공정은 전해액을 충진하기 전에 3단계 인라인 건조 챔버로 구성되어, 앞선 1차 건조 공정과 유사하며 중간 감압을 번갈아 가며 뜨거운 질소 (최대 100도씨)로 가열하도록 구성되어 있음
- 또한 각형 전지 같은 경우, 전해액을 첨가하기 전에 진공 건조 단계를 진행
7. 건조 공정의 한계
- 전극 내 코팅과 건조 장비 비중이 53% 차지하며, 특히 NMP를 건조 공정에서 회수하는 공정이 가장 많은 비용이 요구
- 이를 보완하기 위해, 건식 전극 제조 연구가 개발되고 있으며, 이 공정은 전극 제조단계 이산화탄소 배출량 약 90% 감소 가능하며, 슬러리 제조/건조 공정 생략으로 용수 등 원/부자재 에너지 소요량 감소 가능
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