JP7340701B2 - 二次電池正極材焼成装置 - Google Patents

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Description

本記載は、二次電池正極材焼成装置に関する。
一般に、二次電池正極材焼成装置は、正極材を収納したサヤ（ｓａｇｇｅｒ）を焼成炉で材料の特性によって４００℃～１１００℃の温度で焼成する装置である。
二次電池正極材焼成装置を用いた焼成工程において、サヤに収納された正極材から水蒸気および二酸化炭素ガスなどが発生し、このうちの二酸化炭素ガスの場合、焼成炉雰囲気調節のために使用される酸素や空気に比べて分子量が大きいため、サヤ外部に放出されにくい。サヤ内部に残る二酸化炭素ガスは、正極材から焼成された正極活物質表面のリチウム酸化物と化学反応を起こして炭酸リチウムを生成させる問題点がある。
従来の二次電池正極材焼成装置は、サヤに収納された正極材から発生した水蒸気および二酸化炭素ガスをサヤ外部に放出させると同時に焼成反応のために、サヤが位置する焼成空間の下部、上部、および側面に酸素および空気などのガスを供給する。
しかし、従来の二次電池正極材焼成装置は、サヤの外部からサヤの内部にガスが流入するサヤのウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）の断面積が、サヤが位置する焼成空間の断面積に対比して非常に小さくて焼成空間の断面を通過するガスの全体流量中の非常に小さな量のみがサヤの内部に流入する問題点がある。
一実施形態は、二次電池正極材を収納するサヤ内部に流入するガスの流量を増加させてサヤ内部から二酸化炭素ガス排出を向上させると同時に二次電池正極材の焼成反応を向上させる二次電池正極材焼成装置を提供しようとする。
一側面は、順次に連通する昇温空間、温度維持空間、および冷却空間を含む内部空間を含む焼成炉、前記内部空間に沿って配置され、正極材を収納するサヤを前記昇温空間から前記温度維持空間を経て前記冷却空間に移送する複数のローラー、前記複数のローラーを挟んで前記内部空間に沿って配置された複数のヒーター、前記内部空間と連結され、前記内部空間にガスを供給する複数の給気部、および前記内部空間と連結され、前記内部空間からガスを排気する複数の排気部を含み、前記温度維持空間の断面積は前記昇温空間の断面積および前記冷却空間の断面積に対比して小さい二次電池正極材焼成装置を提供する。
前記温度維持空間を形成する前記焼成炉の第１内壁は、前記昇温空間を形成する前記焼成炉の第２内壁および前記冷却空間を形成する前記焼成炉の第３内壁に対比して前記複数のローラーとさらに近くてもよい。
前記複数のヒーターは、前記第１内壁内部に位置する第１ヒーター、前記第２内壁と離隔して前記昇温空間に位置する第２ヒーター、および前記第３内壁と離隔して前記冷却空間に位置する第３ヒーターを含むことができる。
前記第１ヒーターは、前記第２ヒーターおよび前記第３ヒーターに対比して小さな容量を有することができる。
前記焼成炉の第２内壁から垂直方向に延長された第１隔壁、および前記焼成炉の第３内壁から垂直方向に延長された第２隔壁をさらに含み、前記第１隔壁の端部および前記第２隔壁の端部は前記第２内壁と水平線上に配置できる。
前記複数の給気部は、前記昇温空間の下部と連結された第１給気部、前記温度維持空間の下部と連結された第２給気部、および前記冷却空間の下部と連結された第３給気部を含むことができる。
前記複数の排気部は、前記昇温空間の上部と連結された第１排気部、および前記冷却空間の上部と連結された第２排気部を含むことができる。
一実施形態によれば、二次電池正極材を収納するサヤ内部に流入するガスの流量を増加させてサヤ内部から二酸化炭素ガス排出を向上させると同時に二次電池正極材の焼成反応を向上させる二次電池正極材焼成装置が提供される。
一実施形態による二次電池正極材焼成装置を示した図である。 対比例断面と実験例断面を示した図である。 図２に示された対比例断面と実験例断面の実験結果を示した表である。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は様々の異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一な参照符号を付けるようにする。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を“含む”という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。
以下、図１を参照して一実施形態による二次電池正極材焼成装置を説明する。
図１は、一実施形態による二次電池正極材焼成装置を示した図である。
図１を参照すれば、一実施形態による二次電池正極材焼成装置は二次電池正極材が収納されたサヤＳＡを焼成炉１００の内部空間１１０で一方向に移動させながら加熱してサヤＳＡに収納された二次電池正極材を焼成する。一実施形態において、サヤＳＡは多層で積層されているが、これに限定されず、単層で配置できる。
二次電池正極材焼成装置は、昇温区間Ａ１、温度維持区間Ａ２、冷却区間Ａ３を含む。
昇温区間Ａ１は、サヤＳＡに収納された二次電池正極材の特性によって設定された温度（一例として、４００℃～１１００℃）に昇温される区間である。
温度維持区間Ａ２は、設定された温度を維持する区間である。
冷却区間Ａ３は、設定された温度から冷却される区間である。
二次電池正極材焼成装置は、昇温区間Ａ１、温度維持区間Ａ２、冷却区間Ａ３を構成する焼成炉１００、複数のローラー２００、複数のヒーター３００、複数の給気部４００、複数の排気部５００を含む。
焼成炉１００は、内部空間１１０、第１内壁１２０、第２内壁１３０、第３内壁１４０、第１隔壁１５０、第２隔壁１６０を含む。
内部空間１１０は正極材が収納されたサヤＳＡが一方向に移動する空間であり、一方向に沿って順次に連通する昇温空間Ｓ１、温度維持空間Ｓ２、冷却空間Ｓ３を含む。
昇温空間Ｓ１は、昇温区間Ａ１に対応する空間である。昇温空間Ｓ１の断面積は温度維持空間Ｓ２の断面積に対比して大きい。
温度維持空間Ｓ２は、昇温空間Ｓ１と連通し、温度維持区間Ａ２に対応する空間である。温度維持空間Ｓ２の断面積は、昇温空間Ｓ１の断面積および冷却空間Ｓ３の断面積に対比して小さい。
冷却空間Ｓ３は、温度維持空間Ｓ２と連通し、冷却区間Ａ３に対応する空間である。冷却空間Ｓ３の断面積は、温度維持空間Ｓ２の断面積に対比して大きい。
第１内壁１２０は、温度維持空間Ｓ２を形成する。第１内壁１２０は、温度維持空間Ｓ２を形成する下部壁、上部壁、側壁の内壁である。第１内壁１２０が形成する温度維持空間Ｓ２の第１高さＬ１は、第２内壁１３０が形成する昇温空間Ｓ１の第２高さＬ２および第３内壁１４０が形成する冷却空間Ｓ３の第３高さＬ３に対比して短い。
第１内壁１２０は、第２内壁１３０および第３内壁１４０に対比してローラー２００とさらに近く位置する。
第２内壁１３０は、昇温空間Ｓ１を形成する。第２内壁１３０は、昇温空間Ｓ１を形成する下部壁、上部壁、側壁の内壁である。第２内壁１３０が形成する昇温空間Ｓ１の第２高さＬ２は、第１内壁１２０が形成する温度維持空間Ｓ２の第１高さＬ１に対比して長い。
第２内壁１３０は、第１内壁１２０に対比してローラー２００とさらに遠く位置する。
第３内壁１４０は、冷却空間Ｓ３を形成する。第３内壁１４０は、冷却空間Ｓ３を形成する下部壁、上部壁、側壁の内壁である。第３内壁１４０が形成する冷却空間Ｓ３の第３高さＬ３は、第１内壁１２０が形成する温度維持空間Ｓ２の第１高さＬ１に対比して長い。
第３内壁１４０は、第１内壁１２０に対比してローラー２００とさらに遠く位置する。
第１隔壁１５０は、第２内壁１３０から垂直方向に延長される。第１隔壁１５０は昇温空間Ｓ１を区画し、第１隔壁１５０によって区画された空間に沿って温度が上昇できる。
第２隔壁１６０は、第３内壁１４０から垂直方向に延長される。第２隔壁１６０は冷却空間Ｓ３を区画し、第２隔壁１６０によって区画された空間に沿って温度が下落できる。
第１隔壁１５０の端部および第２隔壁１６０の端部は、第２内壁１３０と仮想の水平線上に配置できる。即ち、第１隔壁１５０、第２内壁１３０、第２隔壁１６０は、同一水平線上に配置できる。
複数のローラー２００は、焼成炉１００の内部空間１１０に沿って一方向に配置される。複数のローラー２００は、正極材を収納するサヤＳＡを焼成炉１００内部の昇温空間Ｓ１から温度維持空間Ｓ２を経て冷却空間Ｓ３に移送する。
複数のヒーター３００は、複数のローラー２００を挟んで内部空間１１０に沿って一方向に配置された上部ヒーターおよび下部ヒーターを含む。
複数のヒーター３００は、第１ヒーター３１０、第２ヒーター３２０、第３ヒーター３３０を含む。
第１ヒーター３１０は、温度維持空間Ｓ２を挟んで第１内壁１２０の内部に位置する。第１ヒーター３１０は第２ヒーター３２０および第２ヒーター３２０に対比して小さな容量を有する。
第２ヒーター３２０は、第２内壁１３０と離隔して昇温空間Ｓ１に位置する。
第３ヒーター３３０は、第３内壁１４０と離隔して冷却空間Ｓ３に位置する。
複数の給気部４００は、内部空間１１０と連結され、内部空間１１０にガスＧＡを供給する。ここで、給気部４００が供給するガスＧＡは空気および酸素ガスを含むことができるが、これに限定されない。
複数の給気部４００は、第１給気部４１０、第２給気部４２０、第３給気部４３０を含む。
第１給気部４１０は、昇温空間Ｓ１の下部と連結されて昇温空間Ｓ１にガスＧＡを供給する。第１給気部４１０から昇温空間Ｓ１に供給されたガスＧＡは、昇温空間Ｓ１、温度維持空間Ｓ２、冷却空間Ｓ３を選択的に経て第１排気部５１０または第２排気部５２０に排気できる。
第２給気部４２０は、温度維持空間Ｓ２の下部と連結されて温度維持空間Ｓ２にガスＧＡを供給する。第２給気部４２０から温度維持空間Ｓ２に供給されたガスＧＡは、昇温空間Ｓ１、温度維持空間Ｓ２、冷却空間Ｓ３を選択的に経て第１排気部５１０または第２排気部５２０に排気できる。
第３給気部４３０は、冷却空間Ｓ３の下部と連結されて冷却空間Ｓ３にガスＧＡを供給する。第３給気部４３０から冷却空間Ｓ３に供給されたガスＧＡは、昇温空間Ｓ１、温度維持空間Ｓ２、冷却空間Ｓ３を選択的に経て第１排気部５１０または第２排気部５２０に排気できる。
複数の排気部５００は、内部空間１１０と連結され、内部空間１１０からガスＧＡを排気する。ここで、排気部５００が排気するガスＧＡは給気部４００によって供給された空気および酸素ガスに加えてサヤＳＡから排出された二酸化炭素ガスおよび水蒸気をさらに含むことができるが、これに限定されない。
複数の排気部５００は、第１排気部５１０および第２排気部５２０を含む。
第１排気部５１０は、昇温空間Ｓ１の上部と連結されて昇温空間Ｓ１からガスＧＡを排気する。
第２排気部５２０は、冷却空間Ｓ３の上部と連結されて冷却空間Ｓ３からガスＧＡを排気する。
このように、一実施形態による二次電池正極材焼成装置は、温度維持空間Ｓ２の断面積が昇温空間Ｓ１の断面積および冷却空間Ｓ３の断面積に対比して小さいため、冷却空間Ｓ３および昇温空間Ｓ１に対比して温度維持空間Ｓ２でサヤＳＡの外部からサヤＳＡの内部に流入するガスＧＡの流量が増加することによって、サヤＳＡ内部から二酸化炭素ガス排出を向上させると同時にサヤＳＡに収納された二次電池正極材の焼成反応を向上させる。
本発明の発明者らは、二次電池正極材焼成装置に含まれている昇温区間Ａ１、温度維持区間Ａ２、冷却区間Ａ３のうちのいずれの区間の内部空間１１０の断面積を減らすのが効果的なのか判断した。サヤＳＡに収納された正極材の焼成反応を見てみたところ、正極材から発生する二酸化炭素ガス大部分が昇温区間Ａ１で発生し、温度維持区間Ａ２から二酸化炭素ガス発生が顕著に低減することを確認した。これを考慮して、一実施形態による二次電池正極材焼成装置は、サヤＳＡ内部から二酸化炭素ガス排出を向上させるために、温度維持区間Ａ２に対応する温度維持空間Ｓ２の断面積が昇温空間Ｓ１の断面積および冷却空間Ｓ３の断面積に対比して小さい。
また、本発明の発明者らは、温度維持空間Ｓ２の断面積が昇温空間Ｓ１の断面積および冷却空間Ｓ３の断面積に対比して小さいために焼成炉１００の第１内壁１２０を第１隔壁１５０および第２隔壁１６０と同一水平線上に配置させれば、第１ヒーター３１０が焼成炉１００の温度維持空間Ｓ２に位置しないようになって温度維持空間Ｓ２の温度保持が容易でないこともあると判断した。これに対し、量産焼成炉運転中の実際上下部ヒーターの発熱量を確認したところ、実際量産焼成工程で設定された温度条件に到達して正常的に温度を維持している場合、隔壁のない温度維持区間ではヒーターがほとんど作動しなくても内部温度が維持されることを確認した。これを根拠にして、一実施形態による二次電池正極材焼成装置は、温度維持空間Ｓ２の断面積が昇温空間Ｓ１の断面積および冷却空間Ｓ３の断面積に対比して小さくても、温度維持空間Ｓ２を形成する第１内壁１２０の内部に容量が小さな第１ヒーター３１０が位置して温度維持空間Ｓ２の温度維持が可能である。
即ち、一実施形態による二次電池正極材焼成装置は、第２ヒーター３２０および第３ヒーター３３０に対比して容量が小さい第１ヒーター３１０が第１内壁１２０の内部に位置することによって、温度維持空間Ｓ２の断面積を最大に減らして温度維持空間Ｓ２でサヤＳＡの内部に流入するガスの流量を最大に増加させることができる。
以下、図２および図３を参照して、一実施形態による二次電池正極材焼成装置の効果を確認した実験を説明する。
図２は、対比例断面と実験例断面を示した図である。図２の（Ａ）は対比例断面を示し、（Ｂ）は実験例断面を示す。
図２の（Ａ）に示された対比例断面ＣＳ１は、昇温空間および冷却空間の断面積と同一な断面積を有する温度維持空間の断面を示す。
図２の（Ｂ）に示された実験例断面ＣＳ２は、昇温空間および冷却空間の断面積に対比して小さな断面積を有する温度維持空間の断面を示す。実験例断面は、温度維持空間を形成する第１内壁が第１隔壁の端部および第２隔壁の端部と同一水平線上に位置する場合の温度維持空間の断面を示すことができる。
図２を参照すれば、熱流動電算解釈を通じて対比例断面ＣＳ１および実験例断面ＣＳ２に同一な流量のガスＧＡが流入する場合を計算し、サヤＳＡ側面のウィンドウＷＩの断面を通過するガス流量の比率を比較した。また、このような流入ガス流量の差によってサヤＳＡに収納された正極材の焼成反応進行に影響を与える排出ガス（ＣＯ２）の濃度も比較した。
図３は、図２に示された対比例断面と実験例断面の実験結果を示す表である。
図３を参照すれば、流動解釈結果、対比例断面ではサヤの側面ウィンドウの面積が全体面積の４．２５％に過ぎず、総供給流量に対比してサヤに流入する流量はそれより小さい３．２％である。
実験例断面では、サヤの側面ウィンドウの面積が全体面積の１８．９％まで増加しながら総供給流量に対比してサヤに流入する流量も１６．６％まで増加する。
その結果、サヤ内部の焼成反応進行に影響を与える排出ガス（ＣＯ２）の分圧も比較例に対比して実験例が半分以下に落ちるようになるのを確認した。この結果は、同一供給流量の場合、実験例断面のように断面積を減らす場合、サヤ内部流入流量が増加し、排出ガスの濃度が低まるようになってサヤに収納された正極材の焼成反応が向上するのを確認することができる。
以上のように、二次電池正極材を収納するサヤ内部に流入するガスの流量を増加させてサヤ内部から二酸化炭素ガス排出を向上させると同時にサヤに収納された二次電池正極材の焼成反応を向上させる二次電池正極材焼成装置が提供される。
また、同一給気流量で焼成反応条件が改善されることによって、正極材装入量を増加させるか（生産量増加）、同一正極材装入量に対してさらに少ない給気流量でも同一な焼成反応を進行させることができて（運転費用削減）、結局、正極材生産単価を下げる二次電池正極材焼成装置が提供される。
以上により、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるのではなく、次の請求範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するのである。
Ｓ１ 昇温空間
Ｓ２ 温度維持空間
Ｓ３ 冷却空間
１００ 焼成炉
２００ ローラー
３００ ヒーター
４００ 給気部
５００ 排気部

Claims (7)

  1. 順次に連通する昇温空間、温度維持空間、および冷却空間を含む内部空間を含む焼成炉；
    前記内部空間に沿って配置され、正極材を収納するサヤを前記昇温空間から前記温度維持空間を経て前記冷却空間に移送する複数のローラー；
    前記複数のローラーを挟んで前記内部空間に沿って配置された複数のヒーター；
    前記内部空間と連結され、前記内部空間にガスを供給する複数の給気部；および
    前記内部空間と連結され、前記内部空間からガスを排気する複数の排気部
    を含み、
    前記温度維持空間の断面積は、前記昇温空間の断面積および前記冷却空間の断面積に対比して小さい、二次電池正極材焼成装置。
  2. 前記温度維持空間を形成する前記焼成炉の第１内壁は、前記昇温空間を形成する前記焼成炉の第２内壁および前記冷却空間を形成する前記焼成炉の第３内壁に対比して前記複数のローラーとさらに近い、請求項１に記載の二次電池正極材焼成装置。
  3. 前記複数のヒーターは、
    前記第１内壁内部に位置する第１ヒーター；
    前記第２内壁と離隔して前記昇温空間に位置する第２ヒーター；および
    前記第３内壁と離隔して前記冷却空間に位置する第３ヒーター
    を含む、請求項２に記載の二次電池正極材焼成装置。
  4. 前記第１ヒーターは、前記第２ヒーターおよび前記第３ヒーターに対比して小さな容量を有する、請求項３に記載の二次電池正極材焼成装置。
  5. 前記焼成炉の第２内壁から垂直方向に延長された第１隔壁；および
    前記焼成炉の第３内壁から垂直方向に延長された第２隔壁
    をさらに含み、
    前記第１隔壁の端部および前記第２隔壁の端部は前記第２内壁と水平線上に位置する、請求項２～４のいずれか一項に記載の二次電池正極材焼成装置。
  6. 前記複数の給気部は、
    前記昇温空間の下部と連結された第１給気部；
    前記温度維持空間の下部と連結された第２給気部；および
    前記冷却空間の下部と連結された第３給気部
    を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の二次電池正極材焼成装置。
  7. 前記複数の排気部は、
    前記昇温空間の上部と連結された第１排気部；および
    前記冷却空間の上部と連結された第２排気部
    を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の二次電池正極材焼成装置。
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