전기자동차 리튬이온 배터리 제조공정에서 Loading Level 산포최소화 코팅을 통한 전극 품질개선에 관한 연구 Development of Slurry Flow Control and Slot Die Optimization Process for Manufacturing Improved Electrodes in Production of Lithium-ion Battery for Electric Vehicles원문보기
전기자동차는 가솔린 자동차와는 달리 배출가스가 없어 친환경 차량을 대표하지만, 장착된 축전지에 충전된 전기로 구동되기 때문에, 1회 충전으로 갈 수 있는 거리가 전지의 에너지 밀도에 의해 좌우된다. 따라서 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 전지가 전기자동차용 전지로 유력한 후보이다. 리튬이온 전지의 효율을 지배하는 중요한 구성품은 전극이므로 전극 제조공정은 리튬이온 전지 전체 생산 공정에서 중요한 역할을 한다. 특히 전극의 제조 공정 중 코팅 공정은 성능에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 공정이다. 본 논문에서는 전극 제조에서 코팅 공법의 효율성 및 생산성 증대를 위한 혁신적인 공정을 제안하고, 장비 설계 방법 및 개발 결과에 대하여 기술하였다. 구체적으로, 극판 핵심 코팅 품질 25% Upgrade 기술, 제품 고출력/고용량화 에 따른 조립 마진 감소 대응 가능 기술, 그리고 제품 용량 품질 및 조립 공정 수율 향상 기술들에 대한 설계 절차 및 개발방법을 제시하였다. 결과로 리튬이온 배터리의 셀의 제품 수명 개선 효과를 확보 하였다. 기존의 코팅 공정과 비교할 때 양극 용량 유지 위해 Target Loading Level 유지, 산포를 향상시켰다(${\pm}0.4{\rightarrow}{\pm}0.3mg/cm^2r$감소).
전기자동차는 가솔린 자동차와는 달리 배출가스가 없어 친환경 차량을 대표하지만, 장착된 축전지에 충전된 전기로 구동되기 때문에, 1회 충전으로 갈 수 있는 거리가 전지의 에너지 밀도에 의해 좌우된다. 따라서 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 전지가 전기자동차용 전지로 유력한 후보이다. 리튬이온 전지의 효율을 지배하는 중요한 구성품은 전극이므로 전극 제조공정은 리튬이온 전지 전체 생산 공정에서 중요한 역할을 한다. 특히 전극의 제조 공정 중 코팅 공정은 성능에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 공정이다. 본 논문에서는 전극 제조에서 코팅 공법의 효율성 및 생산성 증대를 위한 혁신적인 공정을 제안하고, 장비 설계 방법 및 개발 결과에 대하여 기술하였다. 구체적으로, 극판 핵심 코팅 품질 25% Upgrade 기술, 제품 고출력/고용량화 에 따른 조립 마진 감소 대응 가능 기술, 그리고 제품 용량 품질 및 조립 공정 수율 향상 기술들에 대한 설계 절차 및 개발방법을 제시하였다. 결과로 리튬이온 배터리의 셀의 제품 수명 개선 효과를 확보 하였다. 기존의 코팅 공정과 비교할 때 양극 용량 유지 위해 Target Loading Level 유지, 산포를 향상시켰다(${\pm}0.4{\rightarrow}{\pm}0.3mg/cm^2r$감소).
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...
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 (${\pm}0.4{\rightarrow}{\pm}0.3mg/cm^2r$ reduction).
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 (${\pm}0.4{\rightarrow}{\pm}0.3mg/cm^2r$ reduction).
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문제 정의
기존 리튬이온 배터리 코팅 공법에서 리튬이온 배터리 Loading Level 산포를 개선시키고자 한다.
둘째, 슬러리 유량제어 알고리즘 개선하여 슬러리정량공급으로 유량 편차 최소화 하는 것이다. 마지막으로 슬러리 맞춤형 슬롯다이 개발로 Die 내압을 균일화하고 폭 방향 산포 향상 기술을 확보하는 것이 목표라고 할 수 있다. 이를 Fig.
본 논문의 연구 목표는 크게 3가지로 분류된다. 배압밸브의 배압 Feedback 제어 공법을 확보하여 Data Base 기반 배압 조절로 Start 산포 최소화기술을 확보하는 것이다. 둘째, 슬러리 유량제어 알고리즘 개선하여 슬러리정량공급으로 유량 편차 최소화 하는 것이다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 서론에서는 본 연구의 사회, 기술 및 연구 동향과 필요성을 제시하였고, 본론에서는 자동차 리튬이온 배터리 코팅 공법의 효율성 및 생산성 증대를 위한 핵심 개선 기술의 개선에 대해서 기술하였다. 극판 핵심 코팅 품질 25% Upgrade 기술, 제품 고출력/ 고 용량화에 따른 조립 마진 감소 대응 기술, 제품 용량 품질 및 조립 공정 수율 향상 기술들에 대한 설계 절차 및 개발 방법을 시스템공학기반으로 접근한 활동들을 명시한다.
극판 핵심 코팅 품질 25% Upgrade 기술, 제품 고출력/ 고 용량화에 따른 조립 마진 감소 대응 기술, 제품 용량 품질 및 조립 공정 수율 향상 기술들에 대한 설계 절차 및 개발 방법을 시스템공학기반으로 접근한 활동들을 명시한다. 이를 기반으로 실제 자동차 리튬이온배터리 코팅 공법을 양산에 적용시킨 실례를 기술하였다. 마지막으로 본 논문의 결과를 정리 및 요약하였다.
제안 방법
고속 Coating에 따른 품질수준 저하 방지는 설비 적으로 제어 가능하고, 고속 동작이 가능한 간헐코팅 밸브개발로 고속 동작 Mechanism으로 구현Slurry(Coating액)의 물성 관리는 제조기술 측면 공법 연구로 구현한다.
본 개발다이의 점도대역별 슬롯다이 구분 설계를 하였다. 저점도(0 ∼5,000)cP, 고점도(5,000∼10,000)cP 저점도 용 슬롯다이 형상 최적화 및 고정도 현 상태 유지 하였고 Fig.
본 개발은 코팅압력 초반 안정된 코팅 압력으로 수령 및 밸브의 정량화 Servo Motor 구동 적용하고 압력계 설치하여 폭 방향 Loading Level을 맞추기 위해 Gap 세팅, Data Base 기반 안정 코팅 압 기준 배압밸브 Open율 조정, 최종 배압 조건 도출(압력유량 비교)을 Fig.6, Table 1.에서 확인할 수 있다.
슬러리별 PID Gain 확보 및 양산 코팅 테스트 최적화(Kp, Kd, Ki)의 고점도(2,7,5) 저점도(4,7,5)값을 도출하였다. Overshot, Steady-State Error 최적화 도출 및 Step 응답, Ziegler-Nichols, Trial & Error 방법으로 검증하였다.
전기자동차 리튬이온 배터리 제조공정에서 Loading Level 산포최소화 코팅을 통한 전극 품질개선에 관한 연구는 첫째 신규 배압 조절 방식(±0.04↓)+ 저점도용 슬롯다이(±0.06↓)적용하여 현재 ±0.3mg/㎠ 수준으로 판단되고 기술 확보 하였다. 둘째 저점도 기종 배압조절 및 저점도용 다이 동시 적용 시 추가 감소예상된다.
이론/모형
Overshot, Steady-State Error 최적화 도출 및 Step 응답, Ziegler-Nichols, Trial & Error 방법으로 검증하였다.
성능/효과
적용 결과 공정 능력 Cpk 2.06 → 3.33 증가하였다.
후속연구
고속 코팅의 핵심포인트는 고속 Coating에 따른 품질수준 저하 방지 방법으로는 설비 적으로 제어가 필요하고 고속 동작이 가능한 간헐코팅 밸브 개발로 고속 동작 Mechanism 개발되어야 한다. 또한 슬러리(Coating액)의 물성 관리적인 측면에서 제조기술 공법 연구가 병행 되어야 한다. Turbo Dryer 건조 공정은 금속 집전체에 코팅된 슬러리를 건조하기 위하여 슬러리 내의 용매 및 수분을 제거하는 공정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
리튬이온전지의 장점은?
리튬이온전지는 높은 에너지 밀도, 고출력, 우수한 저온 특성 및 높은 이론 전압 등의 장점을 가지고 있기 때문에 전기자동차의 가장 유력한 동력원 중 하나이다. 리튬이온전지의 높은 에너지 밀도는 높은 이론 전압에서 기인된 것이다.
리튬이온 전지의 효율을 지배하는 중요한 구성품은 무엇인가?
따라서 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 전지가 전기자동차용 전지로 유력한 후보이다. 리튬이온 전지의 효율을 지배하는 중요한 구성품은 전극이므로 전극 제조공정은 리튬이온 전지 전체 생산 공정에서 중요한 역할을 한다. 특히 전극의 제조 공정 중 코팅 공정은 성능에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 공정이다.
높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 전지가 전기자동차용 전지로 유력한 이유는?
전기자동차는 가솔린 자동차와는 달리 배출가스가 없어 친환경 차량을 대표하지만, 장착된 축전지에 충전된 전기로 구동되기 때문에, 1회 충전으로 갈 수 있는 거리가 전지의 에너지 밀도에 의해 좌우된다. 따라서 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 전지가 전기자동차용 전지로 유력한 후보이다.
참고문헌 (9)
Business Information Research, Actual condition and prospect of eco-friendly electric vehicle market, Business Information Rdsearch, 2009, pp. 19-42.
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
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