배터리 연구개발용 건식 전극 필름 성형기

배터리 R&D용 건식 전극 필름 형성 장비 | TOB-HRPE200-3AL

제품 개요 및 이상적인 적용 분야

건식 전극 필름 형성 장비(가열 롤 프레스 또는 캘린더라고도 흔히 부름)는 활성 물질, 도전성 탄소, 섬유화 가능한 바인더(일반적으로 PTFE)의 자유 유동 분말 혼합물을 용매, 슬러리 혼합, 장시간 건조 단계 없이 직접 자체 지지형 전극 필름으로 변환합니다. TOB-HRPE200-3AL은 이러한 무용매 전극 제조 공정을 위해 특별히 설계된 벤치톱부터 파일럿 규모까지의 장비입니다. 이 장비는 제어된 온도와 정밀하게 조절 가능한 롤 갭 압력을 적용하여 분말을 치밀화하고 섬유화하여 연속 필름으로 만들며, 이를 집전체에 직접 라미네이션할 수 있어 전극 생산 공정을 크게 단순화합니다.

이 장비는 경질 크롬 도금을 통해 HRC62의 표면 경도를 확보한 두 개의 정밀 연삭 강철 롤러(Ø96 mm)를 사용합니다. 크롬층은 전극 분말에 의한 마모를 견딜 뿐만 아니라 실험실에서 흔히 발생하는 주변 환경 보관 중 녹 발생도 방지합니다. 롤러는 실온부터 130°C까지 내부 가열되며, 각 롤러는 독립적으로 제어되고 디지털 표시됩니다. 온도 균일성은 매우 중요합니다. PTFE 바인더는 활성 물질이 열화되는 온도까지 과도하게 올라가지 않으면서 일반적으로 60°C~120°C 범위인 섬유화 온도에 도달해야 하기 때문입니다. 롤러 원통도 ≤ ±2 µm는 롤 갭과 이에 따른 필름 두께가 전체 200 mm 작업 폭에서 일정하도록 보장합니다.

적합 대상:

• 리튬 이온, 나트륨 이온 및 전고체 배터리를 위한 무용매(건식) 전극 제조 공정을 개발하는 배터리 R&D 그룹 및 파일럿 라인.
• NMC, LFP, 흑연, 하드 카본 또는 실리콘 기반 활성 물질과 PTFE 또는 기타 섬유화 가능한 바인더의 섬유화 거동을 연구하는 연구자.
• 독성 NMP 용매 제거, 에너지 집약적인 건조 감소, 공장 공간 축소를 위한 수단으로 건식 전극 기술을 평가하는 제조업체.
• 코인 셀, 단층 파우치 셀 또는 소형 원통형 셀 테스트용 균일하고 두께가 제어된 필름을 제작하기 위해 소형 계측 롤 프레스가 필요한 재료 과학자.
• 수동 유압 프레스로 건식 전극 공정을 시도했으나 공정이 일관되지 않고 제어가 어렵고 규모 확장에 부적합하다는 것을 경험한 모든 실험실.

건식 전극 공정을 처음 시작했고 사용 중인 양극 분말과 PTFE 바인더에 적합한 롤러 온도 및 속도비의 시작점을 잘 모르시나요? 당사의 건식 공정 엔지니어에게 문의하십시오. 재료 특성을 장비 매개변수로 변환하는 데 도움을 드릴 수 있습니다.

건식 전극 제조에서 이 장비가 적용되는 위치

기존 리튬 이온 배터리 전극은 습식 공정으로 제조됩니다. 활성 분말, 탄소, 바인더를 NMP(양극용) 또는 물(음극용)과 혼합하여 슬러리로 만들고, 금속 포일 위에 코팅한 후 긴 건조 오븐을 통과시켜 캘린더링 전에 용매를 제거합니다. 이 방식은 상당한 에너지를 소비하고 용매 회수 시스템이 필요하며, 물과 반응하는 금속 리튬 또는 나트륨과 같은 일부 재료의 사용을 제한합니다.

건식 전극 공정은 용매를 완전히 제거합니다. 일반적인 공정 흐름은 다음과 같습니다:

1. 건식 혼합:활성 물질, 도전성 탄소 및 PTFE 분말을 고전단 건식 혼합기에서 완전히 혼합합니다. 혼합 중 PTFE 입자는 미세 섬유로 늘어나 분말을 결합하는 네트워크를 형성합니다.
2. 필름 형성(TOB-HRPE200-3AL의 역할):자유 유동 분말은 TOB-HRPE200-3AL의 가열된 역회전 롤러 한 쌍 사이로 공급됩니다. 열, 압력, 전단의 조합은 PTFE를 추가로 섬유화하고 분말을 제어된 두께의 연속적인 자체 지지형 필름으로 압축합니다. 롤러는 독립적으로 조절 가능한 속도(0~1 rev/s)로 회전하여 치밀화를 향상시키는 전단 성분을 생성합니다.
3. 라미네이션:형성된 건식 필름은 두 번째 캘린더링 단계에서 집전체(알루미늄 또는 구리 포일)에 직접 라미네이션하거나, 같은 장비에서 포일을 분말과 함께 공급하여 라미네이션할 수 있습니다. 이를 통해 완성된 전극 시트를 제작합니다.
4. 슬리팅 / 절단:통합 슬리팅 나이프는 필름 가장자리를 원하는 폭으로 절단하고, 권취 장치는 추가 처리를 위해 완성된 필름 또는 전극을 3인치 에어 샤프트에 감습니다.

TOB-HRPE200-3AL은 연속 작업으로 2단계와 3단계의 일부(집전체를 분말과 함께 공급하는 경우), 그리고 4단계를 수행합니다. 용매가 없기 때문에 건조 오븐, 용매 회수 시스템, 느린 습식 필름 건조 과정에서 발생하는 바인더 이동 결함이 없습니다. 필름 두께 균일성은 롤 갭 정밀도에 의해 직접 결정되며, 이 장비에서는 전자 다이얼 게이지로 디지털 제어 및 표시됩니다.

가열 롤 프레스 및 필름 형성 공정의 작동 원리

TOB-HRPE200-3AL은 고정밀 베어링(IFU, 스웨덴)에 장착된 한 쌍의 Ø96 mm 정밀 연삭 강철 롤러를 기반으로 제작되었습니다. 각 롤러는 전기 카트리지 시스템으로 내부 가열되며, Autonics 디지털 온도 컨트롤러를 통해 온도를 독립적으로 설정합니다. 롤러 표면은 HRC62 경도의 경질 크롬으로 도금되어 분말 부착을 최소화하고 부식에 견디는 매끄럽고 내마모성 표면을 제공합니다.

구동 및 속도비 제어

두 개의 서보 모터(Inovance)가 롤러를 독립적으로 구동합니다. 이는 중요한 설계 특징입니다. 단순 기어식 캘린더와 달리 TOB-HRPE200-3AL은 롤러를 서로 다른 속도로 작동시켜 닙 영역에 제어된 전단장을 형성할 수 있습니다. 건식 전극 분말의 경우 작은 속도 차이(예: 5~15%)가 추가 전단을 가하여 PTFE 섬유화를 촉진하고 더 치밀하고 응집력 있는 필름을 생성합니다. 각 롤러의 속도는 PLC를 통해 0~1회전/초 범위에서 조절되며 Weintek 터치스크린에 표시됩니다. 회전 방향도 독립적으로 설정할 수 있습니다.

롤 갭 조정 및 두께 제어

두 롤러 사이의 간격과 이에 따른 필름 두께는 스테퍼 모터 구동 자동 갭 조정 메커니즘(Leadshine 스테퍼 모터)을 사용하여 0~2 mm 범위에서 조절됩니다. 이 메커니즘은 뛰어난 자체 잠금 성능을 가지므로 압축 분말이 발생시키는 상당한 분리력 아래에서도 롤링 중 갭이 변하지 않습니다. 실제 갭은 전자식 디지털 다이얼 게이지에 표시되어 작업자에게 마이크론 수준의 피드백을 제공합니다. 롤러 원통도 ≤ ±2 µm는 롤러 중앙에서 측정된 갭이 전체 200 mm 작업 폭의 갭을 대표하도록 보장하며, 이는 벤치톱 규모 장비에서는 매우 엄격한 사양으로 뛰어난 필름 두께 균일성으로 직접 이어집니다.

권취, 언와인딩 및 슬리팅

이 장비는 웹 정렬을 적절히 유지하는 권취 및 언와인딩 보정 메커니즘을 갖추고 있습니다. 집전체 포일이나 사전 형성된 필름을 닙 영역으로 공급하는 경우, 컨베이어 벨트 보조 공급 기능이 있는 언와인딩 장치는 주름 없는 진입을 보장합니다. 필름이 닙을 빠져나온 후 통합 슬리팅 나이프가 가장자리를 원하는 폭으로 절단하고, 완성된 필름은 3인치 에어 샤프트(최대 롤 직경 200 mm)에 감깁니다. 이를 통해 진정한 연속 작업이 가능합니다: 분말 투입, 절단된 전극 필름 배출.

PLC 및 제어 아키텍처

전체 기계는 PLC(Inovance 또는 Panasonic)를 통해 제어됩니다. Weintek 터치스크린 HMI를 사용합니다. 작업자는 하나의 화면에서 롤러 온도, 롤러 속도(및 속도 비율), 간극, 권취 장력을 설정합니다. PLC는 서보 드라이브, 스테퍼 간극 모터, 권취/풀림 모터를 조정하고 온도 컨트롤러, 솔리드 스테이트 릴레이(Yangming), 회로 보호 장치(Chint)를 모니터링합니다. Izumi 릴레이는 제어 회로에 신호 수준 절연을 제공합니다.

건식 전극 공정을 위한 주요 엔지니어링 장점

1. 독립 롤러 가열 및 정밀 온도 제어 (실온부터 130 °C까지)— PTFE 피브릴화는 온도에 크게 의존합니다. 롤러 온도가 너무 낮으면 PTFE 입자가 충분히 연화되지 않아 필름의 기계적 강도가 부족해집니다. 온도가 너무 높으면 활성 물질이 분해되기 시작하거나 PTFE가 과도하게 피브릴화되어 다공성을 잃을 수 있습니다. TOB-HRPE200-3AL의 이중 구역 디지털 온도 제어(Autonics, Korea)는 작업자가 각 롤러를 정밀하게 독립 설정 온도로 유지할 수 있도록 하여, 재료가 필요한 정확한 열 프로파일을 경험하도록 보장합니다.
2. 밀도 향상을 위한 조절 가능한 속도 비율의 비동기 롤러 회전 —— 각 롤러의 독립 서보 드라이브는 속도 차이를 허용합니다(예: 상부 롤러 0.9 rev/s, 하부 롤러 1.0 rev/s). 이는 전단 성분을 도입하여 PTFE 피브릴을 물리적으로 늘리고 롤링 방향으로 정렬합니다. 그 결과 동일한 속도로 회전하는 롤러 사이에서 압착한 필름보다 더 높은 인장 강도와 우수한 취급 특성을 가진 필름이 만들어집니다. 0–1 rev/s의 속도 범위는 부드러운 초기 압축과 높은 전단 마무리 공정을 모두 지원합니다.
3. HRC62 경질 크롬 롤러 표면과 ≤ ±2 µm 원통도—— 경질 크롬 도금은 롤러 수명을 연장할 뿐만 아니라 분말 부착을 줄이는 매끄럽고 저마찰 표면을 제공합니다. 건식 재료용으로 지정된 Ra 0.8 µm 표면 거칠기(습식 재료의 경우 선택적으로 Ra 0.4 µm)는 필름 이형성과 분말을 닙 영역으로 끌어들이는 데 필요한 마찰 사이의 적절한 균형을 이루도록 선택되었습니다. 매우 엄격한 원통도는 필름 두께 변동이 기계 자체가 아니라 분말 공급 특성에 의해 결정되도록 합니다.
4. 전자식 디지털 표시 및 자동 잠금 기능을 갖춘 스테퍼 구동 자동 간극 조정—— 간극은 수동 필러 게이지나 단순 기계식 나사로 설정하지 않습니다. 스테퍼 모터(Leadshine)가 마이크론 수준의 해상도로 롤러 위치를 조정하며 위치는 디지털로 표시됩니다. 자동 잠금 설계는 고밀도 전극 필름의 분리력 아래에서도 설정된 간극이 유지되도록 합니다. 이러한 반복성은 동일한 두께와 다공성을 가진 여러 배치의 전극 필름 생산에 필수적이며, 한 명의 작업자가 몇 초 안에 필름 두께를 전환할 수 있게 합니다.
5. 연속 작동을 위한 통합 슬리팅 및 권취—— 많은 실험실용 캘린더는 이후 수동으로 절단하고 수거해야 하는 시트를 생산합니다. TOB-HRPE200-3AL은 캘린더링 직후 필름 가장자리를 다듬는 슬리팅 나이프와 완성 제품을 3인치 코어에 감는 권취 메커니즘을 포함합니다. 권취 보정 메커니즘과 보조 컨베이어 벨트 공급은 스풀링 중 필름이 중앙에 유지되고 주름이 생기지 않도록 합니다. 따라서 이 기계는 벤치탑 규모에서 진정한 롤투롤 건식 전극 공정을 가능하게 합니다.
6. 산업용 등급 부품을 적용한 컴팩트한 PLC 제어 설계—— 가열, 서보 드라이브, 간극 제어, 슬리팅, 권취 등 포괄적인 기능을 갖추었음에도 불구하고 기계 크기는 L1100 × W770 × H1300 mm에 불과합니다. 브랜드 부품(Inovance/Panasonic PLC, Weintek HMI, IFU 베어링, Chint 전기 부품, Autonics 컨트롤러)의 사용은 신뢰성과 장기적인 부품 공급 가능성을 보장합니다. 350 kg의 무게는 정밀 작업에 충분한 안정성을 제공하면서도 팔레트 잭으로 이동 가능한 범위 내에 있습니다.

전체 기술 사양

다음 사양은 제조업체가 제공한 내용과 정확히 일치하며 모든 기계에 대해 검증되었습니다. 어떠한 값도 변경되지 않았습니다.

주요 구성 브랜드:

운영 유지보수 및 안전 지침

다음 유지보수 절차 및 안전 예방 조치는 제조업체가 권장하는 것으로, 긴 사용 수명과 작업자 안전을 보장하기 위한 것입니다.

유지보수 방법

1. 매번 사용하기 전에 알코올을 적신 부드러운 천으로 두 롤러의 표면을 주의 깊게 닦아 청결을 유지하고 분말 배치 간 교차 오염을 방지하십시오.
2. 기어 장치의 움직이는 부품에 오일을 윤활하여 원활한 움직임을 유지하고 마모를 방지하십시오.
3. 먼지가 베어링 내부로 들어가 정밀도에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 기계 주변의 에어 펌프 송풍을 비활성화하십시오.
4. 장기간 기계를 사용하지 않을 경우 롤러 표면을 깨끗이 닦고 부식 방지를 위해 방청유를 분사하십시오.
5. 모든 나사, 너트, 핀 및 기타 체결 부품을 정기적으로 점검하여 풀림으로 인해 품질 결함이나 인명 피해가 발생하는 것을 방지하십시오.
6. 롤링 간격을 조정할 때는 다른 부품의 손상을 방지하기 위해 양쪽을 균일하게 조정하십시오. 조정 후에는 생산 중 우발적인 손상을 방지하기 위해 다이얼 게이지를 제거할 수 있습니다.

안전 주의사항

1. 작동 중에는 손이나 기타 신체 부위를 롤링 밀 및 기어 전동 장치의 위험 구역 안으로 넣는 것이 엄격히 금지됩니다. 우발적인 부상을 방지하기 위해 두 명 이상의 사람이 동시에 기계를 조작해서는 안 됩니다. 기어 전동 부품에는 보호 덮개와 위험 표지가 장착되어 있습니다.
2. 롤러를 닦을 때는 작업면 뒤쪽에 서서 옷이나 손이 끼이는 것을 방지하십시오. 이는 인명 피해 또는 기계 손상을 초래할 수 있습니다.
3. 회전하는 기계를 닦을 때 장갑을 착용하는 것은 엄격히 금지됩니다.
4. 작업자는 몸에 꼭 맞는 옷을 착용해야 하며, 긴 머리카락이 있는 사람은 작업 모자를 착용해야 합니다.
5. 승인되지 않은 인원은 장비를 분해하거나 디버깅해서는 안 됩니다.
6. 승인 없이 회로 부품을 분해하지 마십시오.
7. 스테인리스강 덮개는 작동 중 높은 온도에 도달할 수 있으므로 맨손으로 직접 만지지 마십시오.

비교: 건식 전극 필름 성형용 TOB-HRPE200-3AL과 수동 유압 프레스 비교

건식 전극 연구자들이 전용 롤러 프레스에 투자하는 이유:

수동으로 건식 전극 분말을 유압 프레스로 압착하는 것은 본질적으로 시행착오 과정입니다. 두께는 일정하지 않고, 온도는 제어되지 않으며, 각 시트 생산에는 몇 분이 걸립니다. 통계적으로 의미 있는 코인 셀 세트를 만들거나 건식 전극 공정의 확장성을 증명해야 할 때, 연속 가열 롤러 프레스는 필수적입니다. TOB‑HRPE200‑3AL은 성공적인 비커 규모 분말 배합과 신뢰할 수 있는 파일럿 규모 전극 제조 시연 사이의 연결 고리를 제공합니다.

엔지니어링 FAQ — 건식 전극 필름 형성

Q1: 이 기계와 호환되는 바인더 시스템은 무엇이며, PTFE로 제한되나요?

이 기계는 비철 금속 재료용으로 설계되었습니다. PTFE는 건식 전극 처리에서 가장 일반적으로 사용되는 섬유화 가능한 바인더이지만, TOB‑HRPE200‑3AL은 다른 열가소성 바인더(예: PVDF, PEO)를 포함한 분말도 130 °C 온도 한도 내에서 연화된다면 처리할 수 있습니다. 핵심 요구 사항은 분말 혼합물이 롤러 틈새에 공급될 만큼 자유롭게 흐를 수 있어야 한다는 것입니다. 조절 가능한 속도 비율과 간격으로 다양한 바인더 시스템에 맞게 최적화할 수 있습니다.

Q2: 특정 양극 분말과 바인더 조합에 대한 올바른 롤러 온도와 속도 비율은 어떻게 결정하나요?

소규모 배치를 수동 프레스에서 시작하여 바인더의 연화 온도(PTFE의 경우 일반적으로 70–100 °C)를 확인하세요. 초기에는 두 롤러를 동일한 속도(0.5 rev/s)로 설정하고, 소량의 분말을 압출합니다. 필름의 기계적 완전성을 확인합니다. 필름이 약하거나 부서지기 쉬우면 5 °C 단위로 온도를 높이세요. 전단을 도입하려면 느린 롤러를 0.85 rev/s, 빠른 롤러를 1.0 rev/s로 설정합니다. 전자 다이얼 게이지로 실제 간격을 확인하며, 0.5 mm에서 시작해 목표 필름 두께를 얻을 때까지 점진적으로 줄입니다. 필름이 찢어지면 간격을 약간 늘리거나 속도 차이를 줄이세요.

Q3: 이 기계로 건식 전극 필름을 구리 또는 알루미늄 호일 전류 수집기에 직접 적층할 수 있나요?

예. 호일은 분말과 함께 풀어 공급할 수 있어, 롤러 틈새에서 압착과 적층이 동시에 이루어집니다. 또는 미리 형성된 필름을 풀어 두 번째 통과에서 적층할 수도 있습니다. 롤러 온도는 적층 요구 사항에 맞게 조정해야 하며(일반적으로 이미 형성된 필름이 과도하게 섬유화되지 않도록 섬유화 온도보다 약간 낮게 설정) 줍니다. 권취 보정 메커니즘은 이 과정에서 호일 정렬을 유지하는 데 도움이 됩니다.

Q4: 건식 양극 필름의 일반적인 처리량은 분당 몇 미터인가요?

처리량은 롤러 속도(최대 1 rev/s)와 필름 두께에 따라 달라집니다. 최대 속도에서 선속도는 약 π × 0.096 m × 1 s⁻¹ ≈ 0.3 m/s ≈ 18 m/min입니다. 그러나 건식 전극 처리에서는 초기 개발 시 2–5 m/min 속도가 일반적이며, 느린 속도가 틈새에서의 체류 시간을 늘리고 PTFE 섬유화를 개선합니다. 분말 공급 특성이 개선되고 최적화되면서 처리량은 증가합니다.

Q5: 서로 다른 활성 물질 배치 간의 교차 오염은 어떻게 관리되나요?

롤러는 접근 가능하며, 배치 간 알코올로 닦을 수 있습니다. 하드 크롬 표면은 대부분의 전극 분말을 깨끗하게 방출합니다. 양극 분말에서 음극 분말로 전환할 경우, 다음 활성 물질을 처리하기 전에 소량의 비활성 분말(예: 순수 흑연 또는 알루미나)을 '청소 배치'로 롤러에 통과시키는 것이 좋습니다. 컨베이어 벨트와 권취 메커니즘도 진공 청소 또는 닦아야 합니다.

수동 시트 압착에서 연속적이고 제어된 롤러 프레스 공정으로 건식 전극 배합을 전환할 준비가 되셨나요? TOB‑HRPE200‑3AL에 대한 견적을 요청하세요. 목표 필름 두께, 폭 및 바인더 유형을 포함하면, 엔지니어가 온도 및 속도 설정을 위한 권장 초기 레시피를 제공할 수 있습니다.

tob.amy@tobmachine.com | +86 181 2071 5609

또 필요할 수 있는 항목

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