KR20240156005A - Apparatus of transfer system with external perturbation to form an artificial protective layer on lithium metal anode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차전지용 리튬-금속 음극의 표면에 인공보호층을 형성하기 위한 압연 전사 공정 시 다양한 외부적인 에너지를 주입함으로써 안정적인 계면 접합이 이루어질 수 있도록 한 외부 섭동 전사 장비 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an external perturbation transfer equipment system that enables stable interface bonding by injecting various external energies during a rolling transfer process to form an artificial protective layer on the surface of a lithium metal negative electrode for a secondary battery.
Description
본 발명은 이차전지용 리튬-금속 음극의 표면에 인공보호층의 계면 접합이 안정적으로 이루어질 수 있도록 한 외부 섭동 전사 장비 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an external perturbation transfer equipment system that enables stable interfacial bonding of an artificial protective layer to the surface of a lithium metal negative electrode for a secondary battery.
현재 상용되는 이차전지 음극의 경우 흑연(Graphite)을 주성분으로 하는 음극재를 사용하고 있다. 흑연은 안정성이 높은 장점이 있으나, 탄소 원자 6개당 리튬 원자를 1개밖에 저장하지 못하는 특성(Li+ + C6 + e- ↔ LiC6)으로 낮은 이론적 비용량(Theoretical specific capacity ~ 350 mAh/g) 때문에 배터리의 에너지 저장 밀도 특성의 개선에 있어 최대 걸림돌이 되고 있다.Currently, commercially available secondary battery cathodes use cathode materials with graphite as the main component. Graphite has the advantage of high stability, but it has the characteristic of storing only one lithium atom per six carbon atoms (Li + + C 6 + e - ↔ LiC 6 ), which is the biggest obstacle to improving the energy storage density characteristics of batteries due to its low theoretical specific capacity (Theoretical specific capacity ~ 350 mAh/g).
반면, 리튬-금속 음극은 낮은 평형 전위(-3.04 V vs. SHE), 극히 높은 이론적 비용량(Theoretical specific capacity ~ 3860 mAh/g), 그리고 가벼운 밀도 특성(0.534 g/cc) 등으로 인해 많은 에너지를 저장할 수 있어 모든 종류의 리튬 기반 이차전지 시스템에서 가장 이상적인 음극재로 여겨지고 있다.On the other hand, lithium metal anodes are considered the most ideal anode material for all types of lithium-based secondary battery systems due to their ability to store large amounts of energy due to their low equilibrium potential (-3.04 V vs. SHE), extremely high theoretical specific capacity (~3860 mAh/g), and light density characteristics (0.534 g/cc).
그러나 리튬-금속 음극은 충전-방전의 반복적인 과정에서 전착/탈리(Plating/Stripping) 반응을 거치며 침상(Dendrite) 구조로 형성되면서 전극(음극)의 구조적인 불안정성이 야기되고 있다. 이러한 구조적 불안정성은 결국 다음과 같은 다양한 안정성 측면의 문제를 발생시킬 수 있다. 1) 소자의 단락(Short-circuit)으로 인한 이차전지 화재 발생, 2) 침상으로 형성된 높은 표면적의 리튬과 전해액 간의 부반응(Side reaction)으로 인한 지속적인 전해액의 소모, 3) 비활성 리튬(Dead lithium)의 발생으로 인한 짧은 배터리 수명 특성, 4) 분극(Polarization) 증가로 인한 전압의 감퇴가 그 대표적인 소자 특성 열화(Degradation) 현상이다. 특히, 이러한 불안정성은 고출력 조건(일례로 고속 충전)에서 더욱 심화될 수 있다.However, the lithium metal anode undergoes plating/stripping reactions during repeated charge-discharge processes and forms a dendrite structure, which causes structural instability of the electrode (cathode). This structural instability can eventually cause various stability problems as follows. 1) Secondary battery fire due to short-circuit of the device, 2) continuous consumption of electrolyte due to side reaction between lithium with a high surface area formed in the dendrite and electrolyte, 3) short battery life characteristics due to generation of inactive lithium (dead lithium), and 4) voltage decrease due to increased polarization are representative device characteristic degrading phenomena. In particular, this instability can be further aggravated under high-power conditions (e.g., fast charging).
이에 따라, 현재 리튬-금속 음극은 수명 특성(안정성)이 확보될 수 없다는 치명적인 문제로 인해 실용화에 어려움을 겪고 있으며, 이를 극복하기 위해 리튬-금속 음극의 안정성을 향상시키기 위한 기술이 개발되고 있다.Accordingly, the current lithium-metal anode is having difficulties in practical application due to the critical problem that its life characteristics (stability) cannot be secured, and technologies are being developed to improve the stability of lithium-metal anodes to overcome this.
구체적으로, 상기 리튬-금속 음극의 안정성 향상을 위한 기술로는 3차원 나노구조체 호스트 기술 전략, 전해질 첨가제 전략, 인공보호층 전략이 있다.Specifically, technologies for improving the stability of the lithium-metal negative electrode include a three-dimensional nanostructure host technology strategy, an electrolyte additive strategy, and an artificial protective layer strategy.
첫 번째 기술인 3차원 나노구조체를 이용한 전극 기술은 전극의 실제 작동 표면적을 크게 넓히고, 이에 따라 실제 반응이 발생할 때 유효 전류 밀도(Effective current density)를 최소화하여 안정적인 리튬의 충방전 거동을 유도하는 방식을 주요 메커니즘으로 한다. 또한 복잡한 3차원 내부 다공성 구조에 의해 리튬이 침상으로 형성된다 하더라도 구조 내부에 갇혀 구조적 안정성이 확보된다는 개념의 기술이다. 그러나 해당 기술적 접근은 3차원 나노구조체의 제조 단가 및 생산성이 부족하고, 3차원 나노구조체 자체의 무게 및 비대한 부피, 넓은 반응 표면적으로 인한 리튬 금속-전해액 부반응 발생 증가 및 과도한 고체전해질-계면 물질의 형성 및 축척 등의 단점으로 인해 실용화에 다소 한계가 있다.The first technology, electrode technology using three-dimensional nanostructures, is based on the main mechanism of significantly increasing the actual working surface area of the electrode, thereby minimizing the effective current density when the actual reaction occurs, thereby inducing stable lithium charge/discharge behavior. In addition, it is a technology with the concept that even if lithium is formed in the form of needles by a complex three-dimensional internal porous structure, it is trapped inside the structure to secure structural stability. However, this technological approach has some limitations in practical application due to the insufficient manufacturing cost and productivity of the three-dimensional nanostructure, the weight and large volume of the three-dimensional nanostructure itself, the increased occurrence of lithium metal-electrolyte side reactions due to the large reaction surface area, and the formation and accumulation of excessive solid electrolyte-interfacial materials.
두 번째 기술인 전해액 첨가제 기술은 리튬 이온과 전극이 전기화학적 반응이 발생할 때, 주변의 전해액 조성 분위기를 최적화하여 최대한 넓게 퍼진 형태의 리튬 거동을 유도한다는 화학적 개념의 접근이다. 해당 기술은 첨가제의 원재료 비용 정도만으로 현재 배터리에 어떠한 추가공정 없이 안정성을 향상시킬 수 있어 매우 효과적으로 보이지만, 반복적인 충전과 방전 과정에서 전해질의 조성이 변화, 첨가제가 소모되며 그 효과가 점진적으로 감퇴한다는 근본적인 문제가 있다. 또한 최근 고체전해질을 사용하는 전고체전지로 차세대 이차전지가 개발되고 있어 액체 전해질 기반의 첨가제 기술은 미래 효용성에 의문이 생긴다.The second technology, electrolyte additive technology, is a chemical concept approach that optimizes the surrounding electrolyte composition atmosphere when lithium ions and electrodes electrochemically react, thereby inducing lithium behavior in a form that is spread out as widely as possible. This technology seems very effective because it can improve stability of the current battery without any additional process with only the cost of the raw materials of the additive, but there is a fundamental problem in that the composition of the electrolyte changes during repeated charging and discharging, the additive is consumed, and its effect gradually decreases. In addition, since the next-generation secondary battery is being developed as an all-solid-state battery using a solid electrolyte, the future usefulness of liquid electrolyte-based additive technology is questionable.
따라서 세 번째 기술인 리튬-금속 음극의 표면에 인공보호층(Artificial protective layer)을 형성하는 방법이 가장 상용화 가능성이 있다. 인공보호층은 리튬-금속 음극의 표면에 얇게 형성되어 다양한 역할을 수행할 수 있다. 대표적으로, 리튬-이온 흐름의 균일한 분배(Uniform distribution of Li-ion flux), 침상 리튬 성장의 기계적 억제, 최소화된 고체전해질계면(SEI) 형성, 리튬 이온의 고상확산 속도 제어 등이 있다. 이와 같은 복합적인 효과와 각 효과의 최적화를 통해 최종적으로 매우 높은 안정성의 리튬 거동을 유도할 수 있다. 이와 같은 접근 방법은 향후 고체전해질 개발, 전고체전지의 상용화에 따른 차세대 이차전지 적용에도 쉽게 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.Therefore, the third technology, which is to form an artificial protective layer on the surface of the lithium metal anode, has the most commercialization potential. The artificial protective layer is formed thinly on the surface of the lithium metal anode and can perform various roles. Representative examples include uniform distribution of lithium ion flux, mechanical inhibition of needle-like lithium growth, minimized solid-electrolyte interface (SEI) formation, and control of the solid-state diffusion rate of lithium ions. Through such combined effects and optimization of each effect, lithium behavior with very high stability can ultimately be induced. This approach is expected to be easily applied to next-generation secondary batteries with the development of solid electrolytes and the commercialization of all-solid-state batteries in the future.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 한 것으로, 이차전지용 리튬-금속 음극의 표면에 인공보호층을 형성하기 위한 압연 전사 공정 시 다양한 외부적인 에너지를 주입함으로써 안정적인 계면 접합이 이루어질 수 있도록 한 외부 섭동 전사 장비 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-described problems, and the purpose of the present invention is to provide an external perturbation transfer equipment system that enables stable interface bonding by injecting various external energies during a rolling transfer process for forming an artificial protective layer on the surface of a lithium metal negative electrode for a secondary battery.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 외부 섭동 전사 장비 시스템은, 리튬 금속층의 표면에 인공보호층을 형성하기 위한 전사 장비 시스템에 있어서, 상기 리튬 금속층 표면에 인공보호층이 적층된 제조대상물을 일방향으로 이송시키는 이송부; 상기 이송되는 제조대상물을 외부에너지의 주입을 통해 소정온도로 가열하여 상기 리튬 금속층과 인공보호층이 융착되도록 유도하는 가열부; 상기 가열부를 거친 제조대상물을 회전하는 적어도 한 쌍의 롤러 사이를 통과시켜 1차 압연하는 제1압연롤러부; 및 상기 제1압연롤러부 보다 큰 직경으로 형성되며, 상기 제1압연롤러부를 통과한 제조대상물을 상기 제1압연롤러부에 비해 높은 압력으로 2차 압연하는 제2압연롤러부;를 포함할 수 있다.In order to achieve the above-described purpose, the external perturbation transfer equipment system according to the present invention is a transfer equipment system for forming an artificial protective layer on the surface of a lithium metal layer, the system including: a transfer unit for unidirectionally transferring a manufacturing object having an artificial protective layer laminated on the surface of the lithium metal layer; a heating unit for heating the transported manufacturing object to a predetermined temperature by injecting external energy therein to induce fusion between the lithium metal layer and the artificial protective layer; a first rolling roller unit for first rolling the manufacturing object that has passed through the heating unit by passing it between at least one pair of rotating rollers; and a second rolling roller unit formed with a larger diameter than the first rolling roller unit and for secondarily rolling the manufacturing object that has passed through the first rolling roller unit at a higher pressure than the first rolling roller unit.
이 경우 상기 가열부는, 광 에너지가 발진되는 레이저 소스와, 발진된 광 에너지를 조리개와 복수의 반사판 그리고 감쇠기를 통해 전달받아 광의 집속 위치를 조절하는 스캐너로 이루어진 레이저모듈;을 포함할 수 있다.In this case, the heating unit may include a laser module comprising a laser source that emits light energy, and a scanner that receives the emitted light energy through an aperture, a plurality of reflectors, and an attenuator and adjusts the focusing position of the light.
또한 상기 가열부는, 광 에너지가 발진되는 램프와, 발진된 광 에너지를 반사판 및 집광판을 통해 상기 이송되는 제조대상물의 폭 방향으로 빛을 조사하는 램프모듈;을 더 포함할 수 있다.In addition, the heating unit may further include a lamp that emits light energy, and a lamp module that irradiates light in the width direction of the manufacturing target object through a reflector and a light collecting plate with the emitted light energy.
또한 상기 가열부는, 상기 제조대상물의 외주면에 고주파 유도가열방식의 코일이 감김 설치되는 고주파 유도가열기;를 더 포함할 수 있다.In addition, the heating unit may further include a high-frequency induction heater in which a high-frequency induction heating coil is wound and installed on the outer surface of the manufacturing target.
또한 상기 제1압연롤러부의 상, 하부롤러 중 적어도 어느 하나에는, 상기 제1압연롤러부를 통과하는 제조대상물에 초음파진동을 가하는 초음파진동발생기;가 구비된 것을 더 포함할 수 있다.In addition, at least one of the upper and lower rollers of the first rolling roller section may further include an ultrasonic vibration generator that applies ultrasonic vibration to a manufacturing target passing through the first rolling roller section.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 리튬-금속 음극의 인공보호층 표면 전사를 위한 외부 섭동 전사 장비 시스템은, 리튬 금속층의 표면에 인공보호층을 형성하기 위한 제조대상물의 압연 전사 공정 시, 기계적 압력만을 통해 압연을 진행하지 않고 제조대상물의 압연 직전에 광학적 에너지와 전기적 에너지를 포함한 다양한 외부적인 에너지를 주입하여 제조대상물을 소정온도로 가열함으로써, 리튬 금속층을 연화시켜 전사하고자 하는 인공보호층과의 계면이 효율적으로 융착되도록 유도할 수 있다.The external perturbation transfer equipment system for transferring an artificial protective layer surface of a lithium metal negative electrode according to the present invention having the above configuration can, during a rolling transfer process of a manufacturing target to form an artificial protective layer on the surface of a lithium metal layer, heat the manufacturing target to a predetermined temperature by injecting various external energies including optical energy and electrical energy immediately before rolling the manufacturing target without performing rolling only through mechanical pressure, thereby softening the lithium metal layer and inducing efficient fusion of the interface with the artificial protective layer to be transferred.
아울러 압연 공정온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있어 압연 이후의 전극 잔류응력을 해소할 수 있으며, 이에 따라 전극의 휨 현상 또는 구겨짐(Warpage) 등을 보완하여 치수정밀도가 높은 고품질 전극을 생산할 수 있다.In addition, since the rolling process temperature can be controlled more precisely, the residual stress on the electrode after rolling can be relieved, and accordingly, the bending or warpage of the electrode can be compensated for, thereby producing a high-quality electrode with high dimensional precision.
또한 전극 내부의 소재는 활물질 분말, 전도성 나노입자, 고분자 바인더로 이루어지는데 고온 압연을 통해 고분자를 녹여붙이는 과정이 생겨남으로써, 압연 이후 분말 간 고분자의 접착을 보다 치밀하게 하여 기계적으로 안정된 전극을 제조할 수 있다.In addition, the material inside the electrode is composed of active material powder, conductive nanoparticles, and a polymer binder. The process of melting and bonding the polymer through high-temperature rolling creates a process that makes the adhesion of the polymer between the powders more dense after rolling, thereby manufacturing a mechanically stable electrode.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 음극의 적층 구조를 보여주는 측단면도,
도 2는 본 발명에 따른 전사 장비 시스템의 전체 구성을 보여주는 개략적인 사시도,
도 3은 도 2의 측면도이다.Figure 1 is a cross-sectional side view showing the laminated structure of a negative electrode for a secondary battery according to the present invention.
Figure 2 is a schematic perspective view showing the overall configuration of a transcription equipment system according to the present invention;
Figure 3 is a side view of Figure 2.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.The configuration and operation of specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.Here, when adding reference signs to components of each drawing, it should be noted that identical components are indicated with the same signs as much as possible, even if they are shown in different drawings.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 음극의 적층 구조를 보여주는 측단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전사 장비 시스템의 전체 구성을 보여주는 개략적인 사시도이다.FIG. 1 is a cross-sectional side view showing the laminated structure of a negative electrode for a secondary battery according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic perspective view showing the entire configuration of a transfer equipment system according to the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 이차전지의 음극을 구성하는 리튬 금속층(11)의 표면에 인공보호층(13)을 압연 전사하기 위한 것으로, 바람직한 일 실시예에 따른 리튬-금속 음극의 인공보호층 표면 전사를 위한 외부 섭동 전사 장비 시스템(1)은, 이송부(100), 가열부(200), 제1압연롤러부(300), 제2압연롤러부(400)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the present invention is for rolling and transferring an artificial protective layer (13) to the surface of a lithium metal layer (11) constituting an anode of a secondary battery. According to a preferred embodiment, an external perturbation transfer equipment system (1) for transferring an artificial protective layer surface of a lithium-metal anode may include a conveying unit (100), a heating unit (200), a first rolling roller unit (300), and a second rolling roller unit (400).
이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The composition of the present invention is specifically described as follows.
먼저, 상기 이송부(100)는 리튬 금속층(11) 표면에 인공보호층(13)이 적층된 제조대상물(음극)(10)을 일방향으로 이송시키는 것으로, 이러한 이송부(100)는 복수의 롤러나 컨베이어 등을 이용하여 제조대상물(10)을 이송시킬 수 있는 구조가 선택적으로 적용될 수 있다. 본 발명에서는 이송부(100)의 구성에 대하여 특별히 한정하지는 않는다.First, the above-mentioned transport unit (100) transports in one direction a manufacturing target (negative electrode) (10) in which an artificial protective layer (13) is laminated on the surface of a lithium metal layer (11). A structure that can transport the manufacturing target (10) using a plurality of rollers or conveyors can be selectively applied to this transport unit (100). The present invention does not specifically limit the configuration of the transport unit (100).
상기 가열부(200)는 이송되는 제조대상물(10)의 압연 전사 공정을 수행하기 직전에 제조대상물(10)에 다양한 외부적인 에너지를 주입하여 소정온도로 가열할 수 있도록 한 것으로, 이러한 가열부(200)는 제조대상물(10)의 가열을 통해 리튬 금속층(11)을 연화시켜 전사하고자 하는 인공보호층(13)과의 계면이 효율적으로 융착되도록 유도할 수 있다.The heating unit (200) above is configured to heat the manufacturing object (10) to a predetermined temperature by injecting various external energies into the manufacturing object (10) immediately before performing the rolling transfer process of the manufacturing object (10) being transported. The heating unit (200) can soften the lithium metal layer (11) by heating the manufacturing object (10) and induce efficient fusion of the interface with the artificial protective layer (13) to be transferred.
구체적으로, 상기 가열부(200)를 통해 제조대상물(10)에 외부적인 에너지를 주입하기 위한 방식은, 레이저모듈(210)과 램프모듈(220)과 같은 광학적 에너지를 이용할 수 있다.Specifically, a method for injecting external energy into the manufacturing target (10) through the heating unit (200) can utilize optical energy such as a laser module (210) and a lamp module (220).
먼저, 상기 레이저모듈(210)은 광 에너지가 발진되는 레이저 소스(211)와, 발진된 광 에너지를 조리개와 복수의 반사판 그리고 감쇠기를 통해 전달받아 마지막으로 광의 집속위치를 조절하는 스캐너(213)를 포함할 수 있다. 이러한 레이저모듈(210)은 후술할 제1압연롤러부(300)를 구성하는 상, 하부롤러 사이에 레이저 빔을 정확하게 조사할 수 있다. 아울러 레이저모듈(210)은 작동 시 제조대상물(10)의 폭 방향으로 레이저 빔을 스캐닝할 수 있으며, 이에 따라 제조대상물(10)의 압연 공정 직전에 리튬 금속층(11)과 인공보호층(13)이 융착되도록 유도할 수 있다.First, the laser module (210) may include a laser source (211) that emits light energy, and a scanner (213) that receives the emitted light energy through an aperture, multiple reflectors, and an attenuator, and finally adjusts the focusing position of the light. The laser module (210) can accurately irradiate a laser beam between the upper and lower rollers that constitute the first rolling roller unit (300) to be described later. In addition, the laser module (210) can scan a laser beam in the width direction of the manufacturing target (10) during operation, thereby inducing the fusion of the lithium metal layer (11) and the artificial protective layer (13) immediately before the rolling process of the manufacturing target (10).
상기 램프모듈(220)은 광 에너지가 발진되는 램프(221)와, 발진된 광 에너지를 반사판(223) 및 집광판을 포함할 수 있으며, 이러한 램프모듈(220)을 통해 제조대상물(10)이 이송하는 방향과 교차하는 폭 방향으로 빛을 조사할 수 있다. 이 경우 상기 램프모듈(220)의 빛은 압연 공정 이전 단계에서 제조대상물(10)에 조사되어 일정 수준으로 온도를 상승시킬 수 있으며, 이에 따라 레이저모듈(210)의 레이저에 의한 급격한 온도 상승으로 인해 제조대상물(10)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.The above lamp module (220) may include a lamp (221) that emits light energy, and a reflector (223) and a light collecting plate that emits the emitted light energy, and may irradiate light in a width direction intersecting with the direction in which the manufacturing target (10) is transported through the lamp module (220). In this case, the light of the lamp module (220) may be irradiated on the manufacturing target (10) at a stage prior to the rolling process to increase the temperature to a certain level, thereby preventing the manufacturing target (10) from being damaged due to a rapid temperature increase caused by the laser of the laser module (210).
아울러 상기 가열부(200)는 고온의 소재 융착 공정이 필요한 경우 추가적으로 고주파 유도가열기(230)와 같은 전기적 에너지를 이용할 수 있다. 상기 고주파 유도가열기(230)는 압연 전사 공정을 거치기 전 제조대상물(10)의 외주면에 고주파 유도가열방식의 코일(231)이 감김 설치되어 제조대상물(10)에 고주파 유도가열을 할 수 있다. 이 경우 상기 고주파 유도가열기(230)는 광학적 에너지인 레이저모듈(210)과 램프모듈(220) 보다 제조대상물(10) 이송방향의 후방에 위치하는 것이 바람직하다.In addition, the heating unit (200) may additionally utilize electrical energy such as a high-frequency induction heater (230) when a high-temperature material fusion process is required. The high-frequency induction heater (230) may perform high-frequency induction heating on the manufacturing target (10) by winding a high-frequency induction heating coil (231) on the outer surface of the manufacturing target (10) before the rolling transfer process. In this case, it is preferable that the high-frequency induction heater (230) be located behind the optical energy laser module (210) and lamp module (220) in the transport direction of the manufacturing target (10).
상기 제1압연롤러부(300)는 가열부(200)를 거친 제조대상물(10)을 회전하는 적어도 한 쌍의 롤러(310)(320) 사이를 통과시켜 1차로 압연할 수 있다. 이러한 제1압연롤러부(300)는 후술할 제2압연롤러부(400)에 비해 작은 직경의 롤러(310)(320)를 사용할 수 있으며, 상기 가열부(200)를 통해 정교하게 제어된 가열과 함께 낮은 압력의 기계적인 압착으로 제조대상물(10)의 1차 압연 전사 공정을 수행할 수 있다.The first rolling roller unit (300) can first roll a manufacturing target (10) that has passed through a heating unit (200) by passing it between at least one pair of rotating rollers (310)(320). The first rolling roller unit (300) can use rollers (310)(320) with a smaller diameter than the second rolling roller unit (400) described below, and can perform a first rolling transfer process of the manufacturing target (10) by low-pressure mechanical pressing together with precisely controlled heating through the heating unit (200).
이 경우 상기 제1압연롤러부(300)의 상부롤러(310)와 하부롤러(320) 중 적어도 어느 하나에는 제1압연롤러부(300)를 통과하는 제조대상물(10)에 초음파진동을 가하는 초음파진동발생기(330)가 구비될 수 있다.In this case, at least one of the upper roller (310) and the lower roller (320) of the first rolling roller unit (300) may be equipped with an ultrasonic vibration generator (330) that applies ultrasonic vibration to the manufacturing target (10) passing through the first rolling roller unit (300).
구체적으로, 상기 초음파진동발생기(330)는 하부롤러(320) 양측의 회전축(321) 상에 대칭으로 설치될 수 있다. 이러한 초음파진동발생기(330)를 통해 압연 전사되는 리튬 금속층(11)과 인공보호층(13)의 계면에서 빠른 진동에 의한 마찰열과 충격력으로 리튬 금속층(11)의 표면이 녹으며 인공보호층(13) 소재가 강하게 함침(Embedded)될 수 있다. 이에 따라 고속, 고효율의 전사가 가능하다. Specifically, the ultrasonic vibration generator (330) can be symmetrically installed on the rotation shaft (321) on both sides of the lower roller (320). Through the ultrasonic vibration generator (330), the surface of the lithium metal layer (11) melts due to frictional heat and impact force generated by rapid vibration at the interface between the lithium metal layer (11) and the artificial protective layer (13) being rolled and transferred, and the artificial protective layer (13) material can be strongly embedded. Accordingly, high-speed, high-efficiency transfer is possible.
이때, 상기 제1압연롤러부(300)의 하부롤러(320)는 후술할 제2압연롤러부(400)에 비해 작은 직경으로 형성되어 초음파진동발생기(330)로부터 전달받는 진동 운동을 압연되는 제조대상물(10)의 표면까지 잘 전달할 수 있도록 할 수 있다.At this time, the lower roller (320) of the first rolling roller unit (300) is formed with a smaller diameter than the second rolling roller unit (400) described later, so that the vibration motion transmitted from the ultrasonic vibration generator (330) can be well transmitted to the surface of the manufacturing target (10) being rolled.
이 경우 상기 초음파진동발생기(330)의 진동은 무작위한 방향으로 발생하는데, 그 진동의 방향성을 제어하기 위하여 수평방향(x, y)의 강성은 매우 높고, 수직방향(z)의 강성은 약한 구조물(331)을 초음파진동발생기(330)와 함께 설치할 수 있다. 이에 따라 초음파진동발생기(330)의 진동이 하부롤러(320)가 구비된 수직방향으로 발생하도록 제어할 수 있다.In this case, the vibration of the ultrasonic vibration generator (330) occurs in a random direction, and in order to control the directionality of the vibration, a structure (331) having very high rigidity in the horizontal direction (x, y) and low rigidity in the vertical direction (z) can be installed together with the ultrasonic vibration generator (330). Accordingly, the vibration of the ultrasonic vibration generator (330) can be controlled to occur in the vertical direction in which the lower roller (320) is provided.
도 3을 참조하면, 상기 제2압연롤러부(400)는 제1압연롤러부(300)를 통과한 제조대상물(10)을 2차로 압연하는 것으로, 이러한 제2압연롤러부(400)의 롤러(410)(420)는 제1압연롤러부(300) 보다 큰 직경으로 형성되어 1차 압연에 비해 높은 압력으로 제조대상물(10)의 2차 압연을 수행하면서 제품을 마감할 수 있다.Referring to FIG. 3, the second rolling roller unit (400) performs a second rolling of the manufacturing target (10) that has passed through the first rolling roller unit (300). The rollers (410) (420) of the second rolling roller unit (400) are formed with a larger diameter than the first rolling roller unit (300), so that the product can be finished while performing the second rolling of the manufacturing target (10) at a higher pressure than the first rolling.
이 경우 상기 제2압연롤러부(400)를 통한 2차 마무리 압연에서는 1차 압연 전사 공정에서 발생할 수 있는 소재의 결함(Defect), 기공(Void) 등을 압착 제거할 수 있으며, 전사된 제조대상물(10)이 롤의 폭 방향으로 균일한 두께와 물성을 갖도록 할 수 있다.In this case, in the second finishing rolling through the second rolling roller section (400), defects, voids, etc. of the material that may occur in the first rolling transfer process can be pressed and removed, and the transferred manufacturing target (10) can have a uniform thickness and properties in the width direction of the roll.
또한 2차 압연 이후에도 필요 시 제조대상물(10) 재료의 결정상 변화 및 잔류응력 등의 해소를 위하여 추가적으로 3차 공정(가열-냉각, 압연) 등의 요소들이 추가 구성될 수 있다.In addition, even after the secondary rolling, additional elements such as a 3rd process (heating-cooling, rolling) may be added to resolve crystal phase changes and residual stress of the material of the manufacturing target (10) if necessary.
또한 상기 제1, 2압연롤러부(300)(400)에 적용된 롤러는 단순 2단 압연기 형태로 한정되지 않으며, 상하측에 서포트 롤러가 달린 4단 압연기, 또는 6단 압연기, 센지미어 압연기 형태로 구성될 수 있다.In addition, the rollers applied to the first and second rolling roller units (300)(400) are not limited to a simple two-stage rolling mill form, and may be configured in the form of a four-stage rolling mill with support rollers attached to the upper and lower sides, a six-stage rolling mill, or a sensor rolling mill.
또한 롤러는 알루미늄이나 스테인리스 스틸 소재의 동심도 2㎛ 이하의 정밀가공 롤러를 의미할 수 있으며, 롤러의 용도와 공정최적화에 따라 롤러의 표면에 특수한 코팅이 가능하다. 일례로 롤러 표면에 티타늄, 크롬, 텅스텐 등의 금속 소재의 코팅이 가능하며, 접촉압력의 균질화를 위해 매우 부드러운 실리콘계 고무 또는 스티렌-부타디엔 고무 등의 소재를 코팅할 수 있다. 또한 접촉마찰의 최소화를 위해 테플론 계열 물질의 코팅도 가능하다.Also, the roller can mean a precision-machined roller with a concentricity of 2㎛ or less made of aluminum or stainless steel, and a special coating can be applied to the surface of the roller depending on the purpose of the roller and process optimization. For example, the surface of the roller can be coated with metal materials such as titanium, chrome, and tungsten, and very soft silicone rubber or styrene-butadiene rubber can be coated to homogenize the contact pressure. In addition, a coating of a Teflon-based material is also possible to minimize contact friction.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 리튬-금속 음극의 인공보호층 표면 전사를 위한 외부 섭동 전사 장비 시스템(1)은, 리튬 금속층(11)의 표면에 인공보호층(13)을 형성하기 위한 제조대상물(10)의 압연 전사 공정 시, 압연 직전에 광학적 에너지와 전기적 에너지를 포함한 다양한 외부적인 에너지를 주입하여 제조대상물(10)을 소정온도로 가열함으로써, 리튬 금속층(11)을 연화시켜 전사하고자 하는 인공보호층(13)과의 계면이 효율적으로 융착되도록 유도할 수 있다.The external perturbation transfer equipment system (1) for transferring an artificial protective layer surface of a lithium metal negative electrode according to the present invention having the above configuration can heat the manufacturing object (10) to a predetermined temperature by injecting various external energies including optical energy and electrical energy immediately before rolling during the rolling transfer process of a manufacturing object (10) to form an artificial protective layer (13) on the surface of a lithium metal layer (11), thereby softening the lithium metal layer (11) and inducing efficient fusion of the interface with the artificial protective layer (13) to be transferred.
이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described and illustrated with specific embodiments above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes and modifications may be made without departing from the technical spirit of the present invention.
1 : 외부 섭동 전사 장비 시스템 10 : 제조대상물
11 : 리튬 금속층 13 : 인공보호층
100 : 이송부 200 : 가열부
210 : 레이저모듈 211 : 레이저 소스
213 : 스캐너 220 : 램프모듈
221 : 램프 223 : 반사판
230 : 고주파유도가열기 231 : 코일
300 : 제1압연롤러부 310 : 상부롤러
320 : 하부롤러 321 : 회전축
330 : 초음파진동발생기 331 : 구조물
400 : 제2압연롤러부 410 : 상부롤러
420 : 하부롤러1: External perturbation transfer equipment system 10: Manufacturing target
11: Lithium metal layer 13: Artificial protective layer
100: transfer section 200: heating section
210 : Laser module 211 : Laser source
213 : Scanner 220 : Lamp module
221 : Lamp 223 : Reflector
230: High frequency induction heater 231: Coil
300: 1st rolling roller section 310: Upper roller
320: Lower roller 321: Rotating shaft
330: Ultrasonic vibration generator 331: Structure
400: Second rolling roller section 410: Upper roller
420 : Lower roller
Claims (5)
상기 리튬 금속층 표면에 인공보호층이 적층된 제조대상물을 일방향으로 이송시키는 이송부;
상기 이송되는 제조대상물을 외부에너지의 주입을 통해 소정온도로 가열하여 상기 리튬 금속층과 인공보호층이 융착되도록 유도하는 가열부;
상기 가열부를 거친 제조대상물을 회전하는 적어도 한 쌍의 롤러 사이를 통과시켜 1차 압연하는 제1압연롤러부; 및
상기 제1압연롤러부 보다 큰 직경으로 형성되며, 상기 제1압연롤러부를 통과한 제조대상물을 상기 제1압연롤러부에 비해 높은 압력으로 2차 압연하는 제2압연롤러부;를 포함하는 외부 섭동 전사 장비 시스템.
In a transfer equipment system for forming an artificial protective layer on the surface of a lithium metal layer,
A transport unit that transports a manufacturing target having an artificial protective layer laminated on the surface of the lithium metal layer in one direction;
A heating unit that heats the above-mentioned transported manufacturing object to a predetermined temperature by injecting external energy to induce fusion between the lithium metal layer and the artificial protective layer;
A first rolling roller section for first rolling the manufacturing target material that has passed through the above heating section by passing it between at least one pair of rotating rollers; and
An external perturbation transfer equipment system, comprising: a second rolling roller section formed with a larger diameter than the first rolling roller section and performing secondary rolling on a manufacturing target that has passed through the first rolling roller section at a higher pressure than the first rolling roller section.
상기 가열부는,
광 에너지가 발진되는 레이저 소스와, 발진된 광 에너지를 조리개와 복수의 반사판 그리고 감쇠기를 통해 전달받아 광의 집속 위치를 조절하는 스캐너로 이루어진 레이저모듈;을 포함하는 외부 섭동 전사 장비 시스템.
In the first paragraph,
The above heating part,
An external perturbation transfer equipment system comprising a laser module comprising a laser source that emits optical energy, and a scanner that receives the emitted optical energy through an aperture, multiple reflectors, and an attenuator and adjusts the focusing position of the light.
상기 가열부는,
광 에너지가 발진되는 램프와, 발진된 광 에너지를 반사판 및 집광판을 통해 상기 이송되는 제조대상물의 폭 방향으로 빛을 조사하는 램프모듈;을 더 포함하는 외부 섭동 전사 장비 시스템.
In the second paragraph,
The above heating part,
An external perturbation transfer equipment system further comprising: a lamp that emits light energy; and a lamp module that irradiates light in the width direction of a manufacturing target object through a reflector and a light collector, the irradiated light energy being transferred thereto.
상기 가열부는,
상기 제조대상물의 외주면에 고주파 유도가열방식의 코일이 감김 설치되는 고주파 유도가열기;를 더 포함하는 외부 섭동 전사 장비 시스템.
In the first paragraph,
The above heating part,
An external perturbation transfer equipment system further comprising a high-frequency induction heater having a high-frequency induction heating coil wound and installed on the outer surface of the manufacturing target.
상기 제1압연롤러부의 상, 하부롤러 중 적어도 어느 하나에는,
상기 제1압연롤러부를 통과하는 제조대상물에 초음파진동을 가하는 초음파진동발생기;가 구비된 것을 더 포함하는 외부 섭동 전사 장비 시스템.In the first paragraph,
At least one of the upper and lower rollers of the first rolling roller section is provided with:
An external perturbation transfer equipment system further comprising an ultrasonic vibration generator that applies ultrasonic vibration to a manufacturing object passing through the first rolling roller section.
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KR1020230052404A KR20240156005A (en) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | Apparatus of transfer system with external perturbation to form an artificial protective layer on lithium metal anode |
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KR102488680B1 (en) | 2019-03-08 | 2023-01-17 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Negative Electrode for Lithium Secondary Battery, Method for Preparing the Same and Lithium Secondary Battery Comprising the Same |
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