制造膜型正极的设备、其制造方法、以及包含其的锂二次电池、电池模块和电池组与流程

本申请要求基于2021年5月25日提交的韩国专利申请第10-2021-0066777号和2022年5月24日提交的韩国专利申请第10-2022-0063467号的优先权权益，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文中。本发明涉及一种制造膜型正极的设备、其制造方法以及锂二次电池、电池模块和电池组。

背景技术：

1、近来，随着电子装置和电动车辆的领域中的快速发展，对二次电池的需求日益增加。特别是随着便携式电子装置的小型化和轻量化的趋势，对具有能够应对它们的高能量密度的二次电池的需求日益增长。

2、在二次电池中，锂-硫二次电池是使用具有硫-硫键的硫类化合物作为正极活性材料并使用如下物质作为负极活性材料的二次电池：碱金属，如锂；其中发生诸如锂离子的金属离子的嵌入和脱嵌的碳类材料；或与锂形成合金的硅或锡。具体而言，在锂-硫二次电池的情况下，在作为还原反应的放电期间，随着硫-硫键的断开，硫的氧化数下降，并且在作为氧化反应的充电期间，随着硫的氧化数增加，重新形成硫-硫键。通过这种氧化-还原反应，储存和产生电能。

3、特别地，在锂-硫二次电池的情况下，用作正极活性材料的硫的理论能量密度为1,675mah/g，为常规锂二次电池中所使用的正极活性材料的约5倍，由此它们为能够表现出高功率和高能量密度的电池。此外，因为硫具有廉价且资源丰富、由此容易获得且对环境友好的优点，所以锂-硫二次电池不仅作为便携式电子装置的能量来源，而且作为诸如电动车辆的中大型装置的能量来源而受到关注。

4、因为硫的电导率为5×10-30s/cm，为不具有导电性的非导体，所以存在电化学反应所产生的电子难以移动的问题。因此，将硫与能够提供电化学反应位点的诸如碳的导电材料复合，并使用由此制造的硫-碳复合物。

5、为了将硫-碳复合物用作正极活性材料，通常使用与导电材料和粘合剂一起制备浆料、然后将浆料涂布到集电器上的浆料涂布法，即通过湿法制造正极的方法。

6、然而，通过这样的湿法制造的正极存在的问题在于，因为在制备浆料时使用导电材料和粘合剂，所以在正极中正极活性材料的负载量降低，由此能量密度也降低。此外，当通过湿法制造正极时，除了水分残留在正极中的问题之外，还存在由于混合、涂布和干燥工序而导致额外成本的问题。

7、另一方面，当通过干法制造正极时，可用的粘合剂的类型和含量受到限制，因为必须使粘合剂基本上纤维化。此外，为此，因为涉及正极活性材料、导电材料和粘合剂的预混合工序以及为了使粘合剂纤维化而施加高剪切力的研磨工序，所以存在工序复杂并且成本和时间增加的问题。此外，存在正极活性材料和导电材料可能因在粘合剂的纤维化工序中所施加的高能量而破碎的问题。

8、因此，需要开发一种能够通过干法来制造高负载大面积的锂二次电池用正极的技术。

9、现有技术文献

10、[专利文献]

11、中国专利申请公布第109873120号(2019年6月11日)

12、美国专利公布第2018-0212252号(2018年7月26日)

技术实现思路

1、技术问题

2、因此，本发明的发明人为了解决上述问题进行了各种研究，结果确认了，在通过干法制造膜型正极的设备中，通过将其构造为包含用于对粉末状态的正极材料进行平整的正极材料平整部，能够容易地制造具有高负载和大面积的膜型正极，由此完成了本发明。

3、因此，本发明的目的在于提供膜型正极的制造设备和制造方法，所述膜型正极具有均匀负载量的正极活性材料和大的面积。

4、此外，本发明的另一个目的在于提供一种根据上述制造设备和制造方法制造的膜型正极。

5、此外，本发明的又一个目的在于提供一种包含所述膜型正极的锂二次电池。

6、技术方案

7、为了实现上述目的，本发明提供一种制造膜型正极的设备，所述设备包含：

8、正极材料供给部，所述正极材料供给部用于将粉末状态的正极材料供应至由传送装置传送的模具的上表面；

9、正极材料平整部，所述正极材料平整部用于对供应至所述模具的上表面的正极材料进行均匀地平整；

10、正极材料形成部，所述正极材料形成部用于从上方对通过了所述平整部的所述正极材料施加压力；和

11、传送部，所述传送部包含用于将所述模具依次传送至所述正极材料供给部、所述正极材料平整部和所述正极材料形成部的传送装置。

12、此外，本发明提供一种使用所述制造膜型正极的设备来制造膜型正极的方法，所述方法包括如下步骤：

13、(a)将粉末状态的正极材料供应至由传送装置传送的模具的上表面；

14、(b)使用正极材料平整部对供应至所述模具的上表面的所述正极材料的上表面进行平整；和

15、(c)使用正极材料形成部从上方对通过步骤(b)进行了平整的所述正极材料施加压力。

16、此外，本发明提供一种利用所述膜型正极的制造设备和制造方法制造的膜型正极。

17、此外，本发明提供一种锂二次电池，所述锂二次电池包含所述膜型正极。

18、此外，本发明提供一种电池模块，所述电池模块包含所述锂二次电池作为单元电池(unit cell)。

19、此外，本发明提供一种电池组，所述电池组包含所述电池模块。

20、有益效果

21、在根据本发明的制造膜型正极的设备中，应用使用粉末状态的正极材料的干法来代替湿法，由此不存在湿法所具有的问题。此外，通过引入通过正极材料平整部对粉末状态的正极材料进行平整的步骤，不仅易于控制最终制成的正极的负载量，而且其精度也优异。此外，能够以连续工序容易地制造大面积的膜型正极，从而提高生产率并能够大规模生产。

技术特征：

1.一种制造膜型正极的设备，所述设备包含：

2.根据权利要求1所述的制造膜型正极的设备，其中使用粉末状态的正极材料，所述粉末状态的正极材料含有由50重量％至90重量％的硫和20重量％至10重量％的多孔碳材料构成的硫-碳复合物。

3.根据权利要求1所述的制造膜型正极的设备，其中使用粉末状态的正极材料，所述粉末状态的正极材料基于所述正极材料的总重量含有90重量％至100重量％的硫-碳复合物。

4.根据权利要求1所述的制造膜型正极的设备，其中使用内部粘合力为10gf/cm以上的粉末状态的正极材料。

5.根据权利要求1所述的制造膜型正极的设备，其中所述正极材料平整部包含用于对所述正极材料的上表面进行平整的刮刀。

6.根据权利要求5所述的制造膜型正极的设备，其中所述刮刀在处于固定状态下的同时对被传送的所述正极材料的上表面进行平整，或者在与传送方向相反的方向和传送方向上往复一次以上的同时对所述正极材料的上表面进行平整。

7.根据权利要求5所述的制造膜型正极的设备，其中所述刮刀包含：

8.根据权利要求7所述的制造膜型正极的设备，其中所述与传送方向和与传送方向相反的方向不同的方向是与所述传送方向和与传送方向相反的方向成90°角的方向。

9.根据权利要求1所述的制造膜型正极的设备，其中所述正极材料形成部包含加压板。

10.根据权利要求1所述的制造膜型正极的设备，其中所述膜型正极为自立式膜型正极。

11.一种使用权利要求1所述的制造膜型正极的设备来制造膜型正极的方法，所述方法包括如下步骤：

12.根据权利要求11所述的制造膜型正极的方法，其中所述粉末状态的正极材料含有硫-碳复合物。

13.根据权利要求11所述的制造膜型正极的方法，其中重复步骤(b)，直到粉末状态的正极材料达到期望的负载量。

14.根据权利要求11所述的制造膜型正极的方法，其中步骤(c)的压力为0.2mpa至5mpa。

15.根据权利要求11所述的制造膜型正极的方法，其中将步骤(c)中的压力对所述正极材料施加1秒至10秒。

16.根据权利要求11所述的制造膜型正极的方法，其中所述膜型正极为自立式膜型正极。

17.一种膜型正极，所述膜型正极是通过权利要求11所述的制造膜型正极的方法制造的。

18.一种锂二次电池，所述锂二次电池包含权利要求17所述的膜型正极。

19.一种电池模块，所述电池模块包含权利要求18所述的锂二次电池作为单元电池。

20.一种电池组，所述电池组包含权利要求19所述的电池模块。

技术总结
本发明涉及一种制造膜型正极的设备、其制造方法以及包含其的锂二次电池、电池模块和电池组，更具体地，所述制造膜型正极的设备包含用于对粉末状态的正极材料进行平整的正极材料平整部，由此能够容易地制造具有均匀负载量和大面积的膜型正极，并且可以作为连续工序来进行以提高生产率。

技术研发人员：洪京植,韩东夹,金潣守,申东析
受保护的技术使用者：株式会社LG新能源
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13