Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 19, No. 3 pp. 14-20, 2018 https://doi.org/10.5762/kais.2018.19.3.14 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 전기자동차리튬이온배터리제조공정에서 Loading Level 산포최소화코팅을통한전극품질개선에관한연구 장찬희, 이재천 * 아주대학교시스템공학과 Development of Slurry Flow Control and Slot Die Optimization Process for Manufacturing Improved Electrodes in Production of Lithium-ion Battery for Electric Vehicles Chan-Hee Jang, Jae-Chon Lee * Dept. of Systems Engineering, Ajou University 요약전기자동차는가솔린자동차와는달리배출가스가없어친환경차량을대표하지만, 장착된축전지에충전된전기로구동되기때문에, 1회충전으로갈수있는거리가전지의에너지밀도에의해좌우된다. 따라서높은에너지밀도를갖는리튬이온전지가전기자동차용전지로유력한후보이다. 리튬이온전지의효율을지배하는중요한구성품은전극이므로전극제조공정은리튬이온전지전체생산공정에서중요한역할을한다. 특히전극의제조공정중코팅공정은성능에큰영향을미치는매우중요한공정이다. 본논문에서는전극제조에서코팅공법의효율성및생산성증대를위한혁신적인공정을제안하고, 장비설계방법및개발결과에대하여기술하였다. 구체적으로, 극판핵심코팅품질 25% Upgrade 기술, 제품고출력 / 고용량화에따른조립마진감소대응가능기술, 그리고제품용량품질및조립공정수율향상기술들에대한설계절차및개발방법을제시하였다. 결과로리튬이온배터리의셀의제품수명개선효과를확보하였다. 기존의코팅공정과비교할때양극용량유지위해 Target Loading Level 유지, 산포를향상시켰다 (±0.4 ±0.3mg/ cm2r감소 ). Abstract Electric vehicles are environmentally friendly because they emit no exhaust gas, unlike gasoline automobiles. However, since they are driven by the electric power from batteries, the distance they can travel based on a single charge depends on their energy density. Therefore, the lithium-ion battery having a high energy density is a good candidate for the batteries of electric vehicles. Since the electrode is an essential component that governs their efficiency, the electrode manufacturing process plays a vital role in the entire production process of lithium-ion batteries. In particular, the coating process is a critical step in the manufacturing of the electrode, which has a significant influence on its performance. In this paper, we propose an innovative process for improving the efficiency and productivity of the coating process in electrode manufacturing and describe the equipment design method and development results. Specifically, we propose a design procedure and development method in order to improve the core plate coating quality by 25%, using a technology capable of reducing the assembly margin due to its high output/high capacity and improving the product capacity quality and assembly process yield. Using this method, the battery life of the lithium-ion battery cell was improved. Compared with the existing coating process, the target loading level is maintained and dispersed to maintain the anode capacity (± 0.4 ± 0.3 mg / cm2r reduction). Keywords : Electric Vehicles, Li-ion Battery, Electrode, Manufacturing Process, Coating, Slitting, Vacuum Drying * Corresponding Author : Jae-Chon Lee (Ajou Univ.) Tel: +82-10-8276-7196 email: jaelee@ajou.ac.kr Received January 3, 2018 Revised (1st February 7, 2018, 2nd March 2, 2018) Accepted March 9, 2018 Published March 31, 2018 14
전기자동차리튬이온배터리제조공정에서 Loading Level 산포최소화코팅을통한전극품질개선에관한연구 1. 서론현사회는기후변화및에너지문제해결을위해자동차부문온실가스규제를강화하는추세이다. 전체온실가스배출량중자동차분야가차지하는비중은약 20% 에달한다. 각국정부에서는산업적파급효과가크고생활과밀접한자동차분야를이산화탄소배출저감우선분야로정하고연비규제및친환경차량개발등을통해배출량의저감을목표로정책을강화하고있다 [1]. 전기자동차는친환경차량을대표하며, 가솔린자동차와는달리전기로구동하기때문에전지의에너지밀도가일충전으로갈수있는거리를좌우하게된다. 전지의에너지밀도이외에도순간가속력을나타내는출력과충 방전시안전성문제또한고려되어야한다. 전기자동차용전지로납축전지, 리튬이온전지, 니켈수소전지등이거론되었고, 그중가장유력한후보는높은에너지밀도를갖는리튬이온전지이다 [2]. 리튬이온전지는높은에너지밀도, 고출력, 우수한저온특성및높은이론전압등의장점을가지고있기때문에전기자동차의가장유력한동력원중하나이다. 리튬이온전지의높은에너지밀도는높은이론전압에서기인된것이다. 니켈수소전지의경우전지의전압이 1.1V인것에반해리튬이온전지의경우 3.7V로 3배이상의큰값을가진다. 이것은리튬이온전지의음극전위가매우낮아기전력이커지기때문이다 [3]. 리튬이온전지의구조는양전극, 음전극, 분리막및전해질그리고보호회로등으로구성되어있다. 전지전극제조공정에서코팅공정은 2차전지의성능에큰영향을미치는매우중요한공정이다. 현재양산중인리튬이온극판공정전극코팅공정은제조된슬러리를코터헤드를통과시켜정해진패턴및일정한투께로금속집전체상에코팅한후건조하는공정이다. 이공정은권출 (Unwinding) 공정, 코팅공정, 건조공정, 밀도측정공정, 권취공정으로구성되며, 전극구조특성상전극전면및전근후면코팅 2가지로이루어진다. 전극코팅공정은양극및음극모두동일한형태로진행되며, 양극집전체로는알루미늄박막을, 그리고음극집전체로는구리박막을사용한다. 권출공정은코팅작업을진행하기위해일정한장력으로금속집전체또는전면코팅전극 ( 전극후면코팅일경우 ) 을공급하는공정이다. 코팅공정은혼합공정에서제조된슬러리를코팅헤드를통해정해진패 턴및일정한두께로박막의금속집전체위에일정두께로도포하는공정이다. 기존리튬이온배터리코팅공법에서리튬이온배터리 Loading Level 산포를개선시키고자한다. 본논문의구성은다음과같다. 서론에서는본연구의사회, 기술및연구동향과필요성을제시하였고, 본론에서는자동차리튬이온배터리코팅공법의효율성및생산성증대를위한핵심개선기술의개선에대해서기술하였다. 극판핵심코팅품질 25% Upgrade 기술, 제품고출력 / 고용량화에따른조립마진감소대응기술, 제품용량품질및조립공정수율향상기술들에대한설계절차및개발방법을시스템공학기반으로접근한활동들을명시한다. 이를기반으로실제자동차리튬이온배터리코팅공법을양산에적용시킨실례를기술하였다. 마지막으로본논문의결과를정리및요약하였다. 2. 문제의정의 2.1 리튬이온배터리제조시스템리튬이온전지는제조공정은크게전극공정, 조립공정, 화성공정의 3단계로구분된다. 이를 Fig. 1,2에도식화하였다. Fig. 1. Proposed Process Model. 15
한국산학기술학회논문지제 19 권제 3 호, 2018 Fig. 2. Process for Manufacturing Polar Plate Anode/ Cathode Coating. 2.2 리튬이온배터리코팅공법코팅공정은연속으로진행하는기재 (Cu, Al Foil) 위에약 200um의두께로 2차전지의주재료인 Coating액을간헐적으로도포하는공정으로핵심품질관리포인터는코팅품질과건조품질로크게구분된다. 1) 코팅품질정해진패턴의형상 Dimension 정밀도, 코팅의길이, 무지부길이, 코팅끝단부끌림등이있고 Loading Level 편차는폭방향 Loading Level의균일도 (Loading Level : 단위면적당중량을의미하며, 단위면적당코팅량을측정함 ), 길이방향두께편차는코팅시작부솟아오름또는끝단부무너짐등길이방향두께편차가있다. 2) 코팅품질의측정패턴형상은길이센서및작업자수동확인 (Scale 활용 ) 및폭방향 Loading Level은비접촉식자동방사선측정기 ( 밀도계 ) 를이용길이방향두께편차는마이크로미터 ( 샘플링수동측정 ) 측정하고있다. 극판코팅System은주행중인기재표면위에일정량의 Slurry를정해진 Pattern으로도포해주는공정이다 [4]. 대표적인코팅공정개요는아래와같은구성으로되어있다 [5, 6] 2) 고속코팅의핵심 Point 고속 Coating에따른품질수준저하방지는설비적으로제어가능하고, 고속동작이가능한간헐코팅밸브개발로고속동작 Mechanism으로구현Slurry(Coating 액 ) 의물성관리는제조기술측면공법연구로구현한다. 3) Pattern( 간헐 ) 코팅원리 A면 Coating시 Coating Roll의회전속도와 Timmer 를이용하여입력된코팅길이만큼 Coating Valve를 On/Off한다.B면 Coating시 A면 Coating시와마찬가지의원리로코팅길이를결정한다. A면 Coating 형상고연동하기위해코팅전에 A면패턴을인식하기위한 Sensor를사용한다.Sensor는명암을판독하는방식으로 Coating부와 Un coating부의색상차이로경계면을인식한다. 계산길이와실제Coating길이와의차이가발생하는경우를고려하여연산시 Offset 기능이추가되어있다. Stripe Coating시에는당연히기능을작동시키지않고 Coating Die내의 Spacer 형상을변경하여구축한다. 2.3 연구목표및범위본논문의연구목표는크게 3가지로분류된다. 배압밸브의배압 Feedback 제어공법을확보하여 Data Base 기반배압조절로 Start 산포최소화기술을확보하는것이다. 둘째, 슬러리유량제어알고리즘개선하여슬러리정량공급으로유량편차최소화하는것이다. 마지막으로슬러리맞춤형슬롯다이개발로 Die 내압을균일화하고폭방향산포향상기술을확보하는것이목표라고할수있다. 이를 Fig. 3에도식화하였다. 1) 코팅의원리 Die Head에개량 Pump(Mono) 로 Slurry를공급하고 Back Roll(Coating Roll) 에의해지지되어주행되는기재위에 Die Lip을일정한간격을유지하면서 Timing Valve의개, 폐로가로방향 Pattern형상으로 Coating하는방법이다. 이렇게 Coating부와 Uncoating부를반복하여 Coating하는것을 Pattern Coating 또는간헐코팅이라고호칭한다. 이때균일하고정확한 Pattern을형상하는것이각 Maker의기술이며그핵심은 Slot Die의형상설계, Slurry 물성제어설비운전조건최적화등이있다. Fig. 3. Goal of Study. 16
전기자동차리튬이온배터리제조공정에서 Loading Level 산포최소화코팅을통한전극품질개선에관한연구 3. 체계적인접근을통한자동차리튬이온배터리코팅기술개발 3.1 자동차리튬이온배터리코팅공법의개발절차및방법전극코팅공정은혼합공정에서제조된슬러리를코터헤드를통과시켜정해진패턴및일정한두께로금속집전체상에코팅한후건조하는공정이다 [7]. 이공정은권출 (Unwinding) 공정, 세정공정, 코팅공정, 건조공정권취공정 (Rewinding) 으로구성되며, 전극구조특성상전극전면및전극후면코팅 2가지로이루어진다. 상기전극코팅공정은양극및음극모두동일한형태로진행되며, 양극집전체로는알루미늄박막을, 그리고음극집전체로는구리박막을사용한다 [8]. 권출공정은코팅작업을진행하기위해일정한장력으로금속집전체또는전면코팅된전극 ( 전극후면코팅일경우 ) 을공급하는공정이다. 세정공정은양극및음극모두동일한형태로진행되며집전체표면유분제거하는공정이다. 코팅공정은혼합공정에서제조된슬러리를통해정해진패턴및일정한두께로박막의금속집전체위에일정두께로도포하는공정이다 [9]. Die Head에계량 Pump로슬러리를공급하고 Back Roll(Coating Roll) 에의해지지되어주행되는기재위에 Die Lip을일정한간격을유지하면서 Timing Valve 의개, 폐로가로방향 Pattern형상으로 Coating하는방법이다. 이렇게 Coating부와 Un coating부를반복하여 Coating하는것을 Pattern Coating 또는간헐코팅이라고호칭한다. 이때균일하고정확한 Pattern을형성하는것이기술이며핵심은 Slot Die의형상설계, 슬러리물성제어설비운전조건최적화등이있다. 고속코팅의핵심포인트는고속 Coating에따른품질수준저하방지방법으로는설비적으로제어가필요하고고속동작이가능한간헐코팅밸브개발로고속동작 Mechanism 개발되어야한다. 또한슬러리 (Coating액) 의물성관리적인측면에서제조기술공법연구가병행되어야한다.Turbo Dryer 건조공정은금속집전체에코팅된슬러리를건조하기위하여슬러리내의용매및수분을제거하는공정이다. 권취 (Rewinding) 공정은 Coating 및건조까지완료된극판을감아주는장치이다. 상기에서기술한자동차리튬이온배터리건조공정의대략적인도면을 Fig. 4에나타내었다. Fig. 4. Order of Drying Process. 3.2 Data Base 기반배압조절코팅기술개발극판코팅향상기술로서는기존배압밸브를통해초반토출헌팅을제어를통해기존에조절량정량화가없었고작업자의감으로손끝조절에의존하였다. 배압밸브의적용으로간헐코팅시작시적정배압유지로 Start Loading Level 커짐및솟아오름을방지하고코팅 Stop 후배압상승및코팅 Start 시 Loading Level 상승예상되며조건도출시코팅 Start시 Loading Level 헌팅현상발생되는것을 Fig.5에서확인할수있다. Fig. 5. Original Back Pressure Coating Method. Data Base 기반배압조절코팅공버개발은초기 Loading Level 산포개선및극판조건도출및 Customer Service 감소된다. 본개발은코팅압력초반안정된코팅압력으로수령및밸브의정량화 Servo Motor 구동적용하고압력계설치하여폭방향 Loading Level을맞추기위해 Gap 세팅, Data Base 기반안정코팅압기준배압밸브 Open 율조정, 최종배압조건도출 ( 압력유량비교 ) 을 Fig.6, Table 1. 에서확인할수있다. 17
한국산학기술학회논문지제 19 권제 3 호, 2018 Fig. 8. Unknown Flow Hunting Occurred. Fig. 6. Development of Back Pressure Control Coating Method using Data Base. Table 1. Improvement of Initial Loading-Level Scattering and Derivation of Pole Plate Condition. Management topics Coating Gap flux Pressure Valve Open Rate Remarks Width direction L/L Coating Start/Late Cycle/Coating Relation to coating gap 3.3 유량제어알고리즘기술개발유량 Feedback 제어를통한 Slurry 공급유량산포개선으로균일공급을가능하다. Target 유량설정후유량계에서측정한유량값을 Feedback 하고, 슬러리공급펌프 RPM 제어를의한 S/W 를설계하였고 Fig.7 에서확인할수있다. 슬러리별 PID Gain 확보및양산코팅테스트최적화 (Kp, Kd, Ki) 의고점도 (2,7,5) 저점도 (4,7,5) 값을도출하였다. Overshot, Steady-State Error 최적화도출및 Step 응답, Ziegler-Nichols, Trial & Error 방법으로검증하였다. 적용결과공정능력 Cpk 2.06 3.33 증가하였다. Noise 제거를위한 Running Average 적용하여유량편차 0.72kg/min에서 0.17kg/min로감소하였고 Fig.9에서확인할수있다. Fig. 9. Application of Running Average for Noise Removal. 3.4 슬러리맞춤형 Die 기술개발 Fig. 10. Spreading Shape in Width Direction by Viscosity. Fig. 7. Application of Flow Control Concept. 균일유량공급최적화의 Batch 시작 / 종료시점에맞는 Sequence 구성은배치시작시배압영향최소화, 3 분 Delay Time 적용 ( 코팅시작 3분후유량제어 On) 하고배치와배치사이유형헌팅에따른오동작제거후무지부구간유량제어 Off시무지부유량헌팅발생하였고 Fig.8에서확인할수있다. 슬러리저점도, 고점도대용슬롯다이형상최적설계를유동관성력최소화개발하는데있다. 기존범용슬롯다이는점도 (Range: 0 10,000cP), Loading Level Profile 역전현상이발생하였고 Fig.10에서확인할수있다. 본개발다이의점도대역별슬롯다이구분설계를하였다. 저점도 (0 5,000)cP, 고점도 (5,000 10,000)cP 저점도용슬롯다이형상최적화및고정도현상태유지하였고 Fig.11에서확인할수있다. 18
전기자동차리튬이온배터리제조공정에서 Loading Level 산포최소화코팅을통한전극품질개선에관한연구 코팅 Loading Level 산포는기존 ±0.4 mg/ cm2에서 ±0.29 mg/ cm2, 진행 Loading Level 산포는 ±0.30mg/ cm2에서 ±0.20 mg/ cm2, Start 시 Loading Level 산포 ±0.30 mg/ cm2에서 ±0.20 mg/ cm2, Slot Die Loading Level 산포는기존 ±0.30 mg/ cm2에서 ±0.15 mg/ cm2으로향상되었고 Fig.12, Table 2. Fig 13. 에서확인할수있다. Fig. 11. Low Viscosity and Wide Direction Scattering Shape. 5. 개선된자동차리튬이온배터리코팅공법의적용에대한고찰 Table 3. Progress & Width Loading Level Spread Dimension. 4. 개선된자동차리튬이온배터리코팅공법의구축및결과 4.1 목표달성현황 Fig. 12. Spread of Direction and Width Direction. Table 2. Progress Direction Width Direction Achievement Status. Fig. 14. Progress & Width Direction Dimension 진행방향산포는슬러리토출량의병화를보기위해정의하고밀도계 1 Scan한 10 Zone의평균값들의 Target Loading Level과의차 ( 180개/Bach) {( 진행 k-target)} 의집합이다.Table 3 확인할수있다. 폭방향의산포는슬러리토출량에따른변화를제외한산로를보기위해정의하였고밀도계각 Scan에서각 Scan의평균값과의차 ( 1800개/Bach) {(Lk_1z_ 진행k),(Lk_2z_ 진행k),...,(Lk_10z_ 진행k)} 의집합으로측정기준이다. Fig. 13. Result of Process Capability Aanalysis. 19
한국산학기술학회논문지제 19 권제 3 호, 2018 6. 결론 전기자동차리튬이온배터리제조공정에서 Loading Level 산포최소화코팅을통한전극품질개선에관한연구는첫째신규배압조절방식 (±0.04 )+ 저점도용슬롯다이 (±0.06 ) 적용하여현재 ±0.3mg/ cm2수준으로판단되고기술확보하였다. 둘째저점도기종배압조절및저점도용다이동시적용시추가감소예상된다. References [1] Business Information Research, Actual condition and prospect of eco-friendly electric vehicle market, Business Information Rdsearch, 2009, pp. 19-42. [2] Zempachi Ogumi, LITHIUM SECONDARY BATTERIES, HONGRLING PUBLISH COMPANY, 2010, pp. 4-53. [3] Simon, P. and Gogotsi, Y, Materials for electrochemical capacitors, Nature materials, vol. 7(11), pp. 845-854, 2008. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat2297 [4] Park, J.G., Principles and Applications of lithium Secondary Batteries, Hong-Reung Science Press, 2014. pp. 428. [5] Dong-Ju Lim, Battery Technology Symposium, The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry 2000) [6] W.A. Schalkwijk, B. Scrosati, Advances in Lithium-Ion Batteries, Kluwer Acadmic, New York(2002) DOI: https://doi.org/10.1007/b113788 [7] Young-Sik Hong, Next-generation secondary battery application technology, Korea Industrial Technology Support Center (2006) [8] Sung-su Kim,Mobile Device Battery Industry Trend Analysis Seminar etnnew(2008) [9] Myung-Huan Kim, Energy Conversion Chemical Material Symposium, Korea Research Institute Of Chemical Technology(2008) 장찬희 (Chan-Hee Jang) [ 정회원 ] 2008년 2월 : 경기대학교교육대학원 ( 교육학석사 ) 2012년 9월 현재 : 아주대학교시스템공학과박사과정 2003년 6월 2016년 7월 : 삼성 SDI 중앙연구소책임연구원 2016년 8월 현재 : 민관합동스마트공장추진단기반구축팀책임연구원 < 관심분야 > 시스템공학 (SE), Model-Based SE (MBSE), 자동화라인설계, 미래形스마트공장구축, Big Data, CPS, IIoT, 스마트센서, 클라우드, 에너지절감, 3D 프린팅, 홀로그램이용스마트설비구축 이재천 (Jae-Chon Lee) [ 정회원 ] 1977 년 2 월 : 서울대학교공과대학전자공학과 ( 공학사 ) 1979 년 2 월, 1983 년 8 월 : KAIST 통신시스템 ( 석 / 박사 ) 1984 년 9 월 1985 년 9 월 : 미국 MIT Post Doc 연구원 1985 년 10 월 1986 년 10 월 : 미국 Univ. of California 방문연구원 1990 년 2 월 1991 년 2 월 : 캐나다 Univ. of Victoria (Victoria, BC) 방문교수 2002 년 3 월 2003 년 2 월 : 미국 Stanford Univ. 방문교수 1994 년 9 월 현재 : 아주대학교시스템공학과정교수 < 관심분야 > 시스템공학 (SE), Model-Based SE (MBSE), Systems Safety, System T&E, Modeling & Simulation 20