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1. 압연 공정에서 고려해야 할 변수
- 압연 공정은 한 쌍의 롤러 사이로 코팅된 전극을 통과시켜 전극을 압연하는 공정
- 압연 공정은 온도, 압연 속도, 하중 압력에 따라 전극의 코팅 두께 및 기공도를 원하는 값으로 조절 가능
- 이런 매개 변수는 재료의 비율, 고형비, 건조과정을 고려하여 최적화시켜야 함
- 그 중에서 온도는 롤 온도에 따라 전극의 압축률에 크게 영향을 미치는 요소이며, 온도에 따라 압연 공정은 Hot Calendering & Cold Calendering 으로 나뉘어짐
2. Hot Calendering
- 2개의 롤러를 고온으로 가열 후, 코팅된 전극을 열과 압력을 동시에 가하는 롤러 사이로 통과시켜 고밀도의 에너지를 가진 얇은 두께의 균일한 전극을 만드는 압연 방법
- 고온으로 예열 시킨 롤러는 전극의 기공도와 압축 저항을 감소시키기 때문에 전극의 압축효과를 높일 수 있으며, 집전체와 활물질간 접착성을 증가시킬 수 있음
- 양극에서 많이 사용되는 PVDF 바인더의 열가소성 고분자로 고온 압연시 변형되기 때문에 양극에서 전극의 압축률에 크게 영향을 미침
- PVDF 바인더를 사용한 양극은 온도가 상승하면 입자 간의 마찰이 줄어들고 더 밀집된 구조로 배열되기 때문에 전극을 더 효율적으로 압축 가능
- 고온에서의 압연은 전극의 본질적인 특성을 변화시키지 않고 높은 C-rate (충방전율) 조절 가능
3. Cold Calendering
- 2개의 롤러의 온도 가열없이 상온에서 코팅된 전극을 롤러로 압력을 가해 균일한 전극을 만드는 압연 방법
- 상온 압연은 압축률이 고온 압연보다 낮지만 롤러 온도 가열 시간이 따로 필요 없기 때문에 압연 공정 장비를 간단하게 조작하고 제어가 가능하며 또한 가열에 의한 영향이 없어 압연 롤러 장비 부하 저감
- 재료 표면을 매끄럽게 압연할 수 있고 전극 압연 두께 미세하게 제어 가능
- 양극의 경우 보통 고온 압연 방식을 많이 사용하지만, 배터리 음극은 상온 압연 공정을 주로 진행
- 음극은 흑연과 같은 약한 경도를 가진 재료를 활물질로 사용하기 때문에 상온 압연 진행
- 음극에서 주로 사용하는 SBR 바인더는 상온에서 고무 형태를 가지기에 압연시, 부피가 일정 정도 증가하는 스프링 백 현상이 발생하므로 여러번 압연과정을 진행하여 전극 두께를 조절하는 것이 바람직함
4. 관련 특허
- 전극 롤 프레스 공정 시 전극 롤 두께를 균일하게 유지시키는 방법 (KR20180115425A)
- 기존의 압연롤러는 고온으로 가열시 원주면에 분포된 온도 차이가 발생하여 전극 두께 편차 발생 가능
- 롤 두께를 균일하게 유지하고자 압연 롤러 속 다수개의 작은 수통을 분배시켜 놓아 롤 프레스 공정 시 이송되는 전극 롤이 일정 온도로 고온 및 가압할 수 있게 하여 전극이 균일한 두께로 유지될 수 있도록 함
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