KR100375341B1 - 흑연화 처리용 도가니 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 흑연화 처리용 도가니는, 상부 개방형으로 내부에 탄소분말이 수용되고, 수직 내벽의 원주면을 따라 탄소분말 배출 억제턱이 돌출되게 형성된 도가니 본체와; 상기 도가니 본체의 개구부 내측에 나사 결합되고, 상하 관통된 통공이 형성된 뚜껑과; 상기 뚜껑의 상면에는 상기 통공을 중심으로 하여 소정 깊이의 고정홈이 형성되고, 상기 통공과 연통되는 연통공을 구비하여 상기 고정홈에는 나사 결합되는 보조 뚜껑과; 상기 보조 뚜껑의 저면과 상기 고정홈의 바닥면 사이에 개재되고, 내부에 미세한 기공을 갖는 탄소분말 배출 방지부재로 이루어진 것을 특징으로 하며,

상기와 같은 구성에 따르면, 흑연화 과정 진행시 탄소분말이 도가니 본체의 외부로 배출되지 않도록 함과 아울러 흑연화 촉진제인 금속산화물도 배출되지 않게 된다.

Description

흑연화 처리용 도가니{A MELTING POT}

본 발명은 흑연화 처리용 도가니에 관한 것으로, 흑연화 과정 진행시 탄소분말이 도가니 본체의 외부로 배출되지 않도록 함과 아울러 흑연화 촉진제인 금속산화물도 배출되지 않도록 한 흑연화 처리용 도가니에 관한 것이다.

최근 카메라 일체형 VTR, 오디오, 휴대형 퍼스널 컴퓨터, 휴대용 전화기등의 새로운 포터블 전자기기의 소형화 및 경량화 추세와 관련하여, 이들 기기의 전원으로 사용되는 전지의 성능을 고성능화하고, 대용량화하는 기술이 필요하게 되었으며, 특히 경제적인 측면에서 이들 전지의 제조 원가를 절감하는 기술 개발 노력이 진행되고 있다.

일반적으로 전지는 망간 전지, 알칼리 전지, 수은 전지, 산화은 전지 등과 같이 일회용으로 사용하는 1차 전지와 납축전지, 금속수소화물을 음극 활물질로 하는 NI-MH(니켈-메탈하이드라이드) 전지, 밀폐형 니켈-카드뮴 전지와 리튬-금속 전지, 리튬-이온 전지(LIB: Lithium Ion Battery), 리튬-폴리머 전지(LPB:Lithium Polymer Battey)와 같은 리튬군 전지 등과 같이 재충전하여 사용할 수 있는 이차 전지, 그리고 연료 전지, 태양 전지등으로 구분할 수 있다.

이중 1차 전지는 용량이 적고, 수명이 짧으며, 재활용이 되지 않으므로 환경 오염을 일으키는 문제점이 있는데 반하여, 이차 전지는 재충전하여 사용할 수 있어 수명이 길며, 전압도 1차 전지보다 월등히 높아 성능과 효율성 측면에서 우수하며, 폐기물의 발생도 적어 환경 보호 측면에서도 우수하여 많이 채택되어 사용되고 있다.

한편, 전술한 이차 전지중의 하나인 코발트산 리튬-탄소계 이차전지는 음극의 충전반응이 반응속도가 비교적 빠른 탄소속으로 리튬이온이인터카레이션(intercaltion)되는 반응이므로 급속충전이 가능하고 리튬이온의 상태로 존재하므로 안정성도 기대되는 고전압용 전지이다.

상기한 리튬전지의 양극을 형성하는 양극활물질은 코발트(Co)염과 리튬(Li)염을 혼합하여 고온에서 소성하여 얻어지는 코발산 리튬(LiCoO₂)으로 코발트(Co)와 산소(O)로 형성되는 기본 골격의 층간에 리튬(Li)이 배위하는 이른바 리튬의 층간화합물(intercalation compound)이므로 충방전에 의해서 리튬이 출입하게 된다.

즉 코발트산 리튬은 처음부터 리튬이온(Li₊)을 함유한 화합물이고, 상기한 리튬이온이 충방전에 관여하여 방전 전위도 리튬의 전위(Li₊/Li)에 대해서 +4V 가까이되어 높으므로 고에너지밀도가 얻어진다.

상기한 코발트산 리튬-탄소계 이차전지의 음극을 형성하는 음극활성화물질은 탄소원자 6개에 리튬원자 1개가 인터카레이션된 탄소재료(LiC₆)로서 372mAh/g의 이론용량밀도를 나타낸다.

상기한 탄소재료는 결정성 탄소재료와 비정질 탄소재료가 사용되며, 결정성 탄소재료는 방전할때에 전압곡선의 평탄성 및 극판을 제조할때의 충진율과 사이클 수명 특성에서 유리하고, 비정질 탄소재료는 C축방향으로의 넓은 간극 및 공극등의 구조로 인하여 리튬의 인터카레이션에 한계가 정해져 있지 않으므로 음극의 고용량화가 가능하고 낮은 열처리온도등에서 유리하다.

상기한 코발트산 리튬-탄소계 이차전지의 음극을 구성하는 음극활물질인 상기한 탄소재료는 결정구조가 가장 발달한 천연 흑연과, 원료인 수지와 섬유등을2000℃(도) 이상의 고온에서 소성하여 얻어지는 인조흑연이 있다.

상기한 인조흑연은 제조공정에서 구조(방사구조 또는 양파구조)나 형태(구형상 또는 섬유형상) 및 입도분포나 소성온도 등의 다양한 제어요소에 따라 서로 다른 전기화학적 물성을 갖는 흑연을 제조하는 것이 가능하다.

도 1은 종래 기술에 따라 탄소재료를 고온에서 흑연화 열처리하는 도가니의 구조를 나타낸 분해 사시도이도, 도 2는 도 1의 수직 단면도이다.

도시된 바와 같이, 도가니는 상부측이 개구된 원통 형상의 도가니 본체(10)와, 도가니 본체(10)의 상측 개구부(1) 내측에 결합되는 원형 단면을 갖는 뚜껑(15)으로 크게 구성되어 있다.

좀더 상세하게는 상기 도가니 본체(10)의 상측 개구부(1) 내측면에는 나사부(2)가 형성되어 있으며, 이 나사부(2)에 나사 결합되도록 뚜껑(15)의 외주면에 나사부(11)가 형성되어 있다.

한편, 상기 뚜껑(15)에는 상하를 관통하는 가스 배출공(12)이 다수개 중앙으로 한개, 가장 자리 방향으로 4개 정도가 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 도가니를 이용하여 탄소분말을 흑연화 열처리하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도가니 본체(10) 내부에 탄소분말(3) 및 흑연화를 촉진시키는 금속산화물을 함께 소정량 투입한다.

이후, 투입된 탄소분말(3)위에 흑연재로된 비산 방지용 펠트(4)를 배치한다.

다음으로, 도가니 본체(10)의 개구부(1)에 형성된 나사부(2)에 뚜껑(15)의나사부(11)가 상호 나사 결합되도록 하여 뚜껑(15)을 도가니 본체(10)에 설치한다.

최종적으로, 도가니 본체(10)의 온도가 대략 2000℃(도) 내지 3000℃(도)되도록 열을 가한다.

상기와 같은 공정을 진행하게 되면 탄소분말(3)이 흑연화 진행 과정에서 발생되는 이산화탄소등의 가스가 펠트(4)에 형성된 미세한 기공(미도시) 및 뚜껑(15)에 형성된 가스 배출공(12)을 통해 배출되며, 시간이 점차적으로 경과함에 따라 탄소분말(3)이 흑연화로 진행된다.

그런데, 상기와 같은 종래 도가니의 구조에서는 단순히 펠트(4)가 탄소분말(3)의 상면에 놓여져 있는 상태이기 때문에, 탄소분말(3)의 사이 사이에 잔존하는 공기의 팽창 및 도가니 본체(10) 내부에서 열대류 현상이 발생하여 탄소분말(3)이 유동하면서 도가니 본체(10)의 내벽과 펠트(4) 외주면 사이의 간극을 통해 뚜껑(15)에 형성된 가스 배출공(12) 및 나사부(2)(11) 사이의 틈새를 통해 배출되어 비산되는 문제점이 있었다.

또한, 탄소분말(3)에는 흑연화를 촉진시키기 위해 금속산화물이 첨가되는데, 탄소분말(3)이 비산되면서 이들 금속산화물이 동시에 도가니 본체(10)의 외부로 탄소분말의 배출 경로와 동일한 경로로 배출되어 흑연화로 본체(미도시)의 흑연재 발열체(미도시) 및 단열재(미도시)에 부착되어 산화 소손시킴으로써 이들 부품의 수명을 단축시키는 문제점도 있었다.

또한, 상기 금속산화물이 도가니 본체(10)의 외부로 나옴으로써 자신의 고유 기능인 흑연화 촉진 및 성능 향상 역할을 제대로 수행하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 흑연화 과정 진행시 탄소분말이 도가니 본체의 외부로 배출되지 않도록 함과 아울러 흑연화 촉진제인 금속산화물도 배출되지 않도록 한 흑연화 처리용 도가니를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따라 탄소재료를 고온에서 흑연화 열처리하는 도가니의 구조를 나타낸 분해 사시도.

도 2는 도 1의 수직 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 흑연화 처리용 도가니의 일 실시예에 따른 분해 사시도.

도 4는 도 3의 결합 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20 : 도가니 본체 21 : 개구부

23 : 탄소분말 배출 억제턱 24 : 뚜껑

24a : 통공 24c : 끼움홈

25,27 : 탄소분말 배출 방지부재 26 : 가스켓

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 흑연화 처리용 도가니는, 상부 개방형으로 내부에 탄소분말이 수용되고, 수직 내벽의 원주면을 따라 탄소분말 배출 억제턱이 돌출되게 형성된 도가니 본체와; 상기 도가니 본체의 개구부 내측에 나사 결합되고, 상하 관통된 통공이 형성된 뚜껑과; 상기 뚜껑의 상면에는 상기 통공을 중심으로 하여 소정 깊이의 고정홈이 형성되고, 상기 통공과 연통되는 연통공을 구비하여 상기 고정홈에는 나사 결합되는 보조 뚜껑과; 상기 보조 뚜껑의 저면과 상기 고정홈의 바닥면 사이에 개재되고, 내부에 미세한 기공을 갖는 탄소분말 배출 방지부재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 흑연화 처리용 도가니의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 흑연화 처리용 도가니의 일 실시예에 따른 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 도가니는, 도가니 본체(20)와, 뚜껑(24)과, 탄소분말 배출 방지부재(25)를 포함하여 이루어진다.

상기 도가니 본체(20)는 상부 전체에 개구부(21)가 형성된 원통체 형상으로 형성되고, 수직 내벽 적정 위치에는 원주면을 따라 탄소분말 배출 억제턱(23)이 소정 너비로 돌출되게 형성된다.

즉, 탄소분말 배출 억제턱(23)은 바람직하게 환형상으로 형성되며, 이로인해 탄소분말 배출 억제턱(23)에는 중앙부에 구멍(23a)이 형성된다.

여기서, 상기 도가니 본체(20)의 형상을 원통체 형상으로 설명하였으나, 원통체 형상 이외에 다각형체로 하여도 무방하다.

상기 도가니 본체(20)의 개구부(21) 내면에는 나사부(22)가 형성된다.

상기 뚜껑(24)은 도가니 본체(20)의 개구부(21)에 결합되는 것으로, 그 외주면에는 나사부(24b)가 형성되어 도가니 본체(20)의 개구부(21)에 형성된 나사부(22)에 나사 결합된다.

상기 뚜껑(24)은 대략 도가니 본체(20)의 형상에 따라 원형 단면으로 형성되며, 중앙부에는 상하로 관통된 통공(24a)이 형성된다.

이 통공(24a)의 내부에는 내부에 미세한 기공을 갖는 탄소분말 배출 방지부재(25)가 설치된다.

좀더 상세하게는 통공(24a)의 내면에 원주 방향으로 끼움홈(24c)이 형성되고, 이 끼움홈(24c)에 탄소분말 배출 방지부재(25)가 끼워지게 된다.

여기서, 상기 탄소분말 배출 방지부재(25)는 일례로 재질이 흑연으로 이루어지며, 상기 통공(24a)을 통해 끼움홈(24c)에 용이하게 끼워지도록 쿠션이 있는 스폰지와 동일하게 이루어져 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도가니 본체(20) 내부에 탄소분말(28) 및 흑연화를 촉진시키는 금속산화물을 함께 소정량 투입한다.

이후, 뚜껑(24)의 통공(24a)을 통해 끼움홈(24c)에 탄소분말 배출 방지부재(25)를 끼워 넣는다.

다음으로, 도가니 본체(20)의 개구부(21)에 형성된 나사부(22)에 뚜껑(24)의 나사부(24b)가 상호 나사 결합되도록 하여 뚜껑(24)을 도가니 본체(20)에 설치한다.

최종적으로, 도가니 본체(20)의 온도가 대략 2000℃(도) 내지 3000℃(도)되도록 열을 가한다.

상기와 같은 공정을 진행하게 되면 탄소분말(28)이 흑연화로 진행되는 과정에서 발생되는 이산화탄소등의 가스가 뚜껑(24)의 탄소분말 배출 방지부재(25)에 형성된 미세 기공(미도시)을 통해 외부로 배기되며, 시간이 점차적으로 경화함에 따라 탄소분말(28)이 흑연화로 진행된다.

한편, 탄소분말(28)이 흑연화로 진행되는 과정중에서 탄소분말(28)의 사이 사이에 잔존하는 공기의 팽창 및 도가니 본체(20) 내부에서 열 대류 현상이 발생하여 그중 일부는 유동하게 됨에도 불구하고 탄소분말 배출 억제턱(23)에 의해 저항을 받아 일차적으로 뚜껑(24)측으로 배출되지 못하게 된다.

한편, 탄소분말(28)중의 일부가 뚜껑(24)측으로 배출되더라도 탄소분말 배출 방지부재(25)에 의해 완전 차단되며, 결과적으로 도가니 본체(20)의 외부로 전혀 탄소분말이 배출되지 못하게 된다.

따라서, 종래에서 처럼 흑연화를 촉진시키기 위해 첨가된 금속산화물이 도가니 본체(20)의 외부로 배출되는 것을 미연에 방지할 수 있게 되며, 부수적으로 금속산화물이 전혀 도가니 본체(20)의 외부로 배출되지 않음에 따라 흑연화의 촉진이 원활하게 진행된다.

한편, 전술한 설명에서는 뚜껑(24)에 탄소분말 배출 방지부재(25)를 설치한 것으로 예를 들어 설명하였으나, 뚜껑(24)의 하면과 탄소분말 배출 억제턱(23)의 상면 사이에 흑연 재질로 된 가스켓(26)을 더 개재함으로써, 탄소분말(28)이 도가니 본체(20)의 나사부(22)와 뚜껑(24)의 나사부(24b) 사이로 배출되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 탄소분말 배출 억제턱(23)에 의해 형성된 구멍(23a)에 재질이 흑연이며, 미세 기공(미도시)을 갖는 탄소분말 배출 방지부재(27)를 더 설치함으로써, 탄소분말이 뚜껑(24)측으로 배출되는 것을 완벽하게 차단할 수 있게 된다.

한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 단면도로서, 뚜껑(24)의 상면에는 상기 통공(24a)을 중심으로 하여 소정 깊이의 고정홈(24e)을 형성하고, 상기 고정홈(24e)에는 상기 통공(24a)과 연통되는 연통공(29a)을 갖는 보조 뚜껑(29)을 나사 결합하며, 상기 보조 뚜껑(29)의 저면과 상기 고정홈(24e)의 바닥면 사이에는 상기 탄소분말 배출 방지부재(25)를 개재하는 구조로 함으로써, 전술한 일 실시예에처럼 스폰지 재질의 탄소분말 배출 방지부재(25)를 압축시켜서 통공(24a)에 삽입한 후 끼움홈(24c)에 끼워 넣어야 불편한 점을 해소할 수 있다.

미설명 부호 24d는 뚜껑 및 보조 뚜껑을 풀거나 조일때 공구가 끼워지는 공구 삽입홈이다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 흑연화 과정 진행시 탄소분말이 도가니 본체의 외부로 배출되지 않도록 함과 아울러 흑연화 촉진제인 금속산화물도 배출되지 않도록 할 수 있는 등 유용한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 상부 개방형으로 내부에 탄소분말이 수용되고, 수직 내벽의 원주면을 따라 탄소분말 배출 억제턱(23)이 돌출되게 형성된 도가니 본체(20)와;

   상기 도가니 본체(20)의 개구부(21) 내측에 나사 결합되고, 상하 관통된 통공(24a)이 형성된 뚜껑(24)과;

   상기 뚜껑(24)의 상면에는 상기 통공(24a)을 중심으로 하여 소정 깊이의 고정홈(24e)이 형성되고, 상기 통공(24a)과 연통되는 연통공(29a)을 구비하여 상기 고정홈(24e)에는 나사 결합되는 보조 뚜껑(29)과;

   상기 보조 뚜껑(29)의 저면과 상기 고정홈(24e)의 바닥면 사이에 개재되고, 내부에 미세한 기공을 갖는 탄소분말 배출 방지부재(25)로 이루어진 것을 특징으로 하는 흑연화 처리용 도가니.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 뚜껑(24)의 하면과 상기 탄소분말 배출 억제턱(23)의 상면 사이에는 가스켓(26)이 개재된 것을 특징으로 하는 흑연화 처리용 도가니.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 통공(24a) 및 상기 연통공(29a)의 벽면에는 상기 탄소분말 배출 방지부재(25)가 끼워지는 끼움홈(24c)이 형성된 것을 특징으로 하는 흑연화 처리용 도가니.
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