KR101353603B1 - 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치 - Google Patents

나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치 Download PDF

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Abstract

나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 양극재로서 펠트에 유황을 함침하여 성형하기 위한 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치에 있어서, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내에 위치하고, 상기 펠트를 성형하기 위한 성형부; 상기 진공 챔버의 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 진공 펌프; 및 상기 진공 챔버의 상부에 제공되고, 상기 성형부에 파우더 상태의 유황을 녹여 액상으로 주입하기 위한 유황 탱크를 포함한다.

Description

나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치{SULFUR FELT MOLDING SYSTEM FOR SODIUM SULFUR BATTERY CATHODE}
본 발명은 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주사기, 압출기 등과 같은 별도의 추가 설비 없이도 액상의 유황을 펠트에 주입함과 아울러 진공 분위기 하에서 펠트에 유황을 함침할 수 있는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치에 관한 것이다.
최근에는 전력 수요가 증가되고, 전력의 최대한 이용을 도모하기 위하여 활물질의 이용률이 높고, 충방전 반응의 효율이 좋은 나트륨-유황 전지가 연구되고 있다. 이 나트륨-유황 전지에서 양극실 내에 양극재로서 유황이 함침되는 펠트(felt)가 수용된다. 이러한 펠트는 탄소(carbon) 섬유로 이루어지고, 만곡 형성되어 양극실 내에 복수개 수용된다.
이러한 나트륨-유황 전지의 양극재는 탄소 섬유 펠트에 유황을 함침하여 성형되는데, 유황 함침 작업은 상온에서 고체의 유황 파우더를 탄소 섬유 펠트 위에 뿌린 후, 가열된 프레스를 이용하여 펠트를 가압하여 유황을 녹이면서 성형하고 있었다.
이와 같은 탄소 섬유 펠트의 유황 함침 작업은 대기중에서 상온에서 행해지고 있는데, 대기중에서 유황을 함침할 경우, 탄소 섬유 펠트 내에 기포가 포집되어 있으므로, 300도~350도 내외의 온도에서 전지 작동시 전지 내부의 진공 또는 불활성 기체로 일정하게 설정된 압력 조건을 깨뜨려 전지 성능이 저하되고, 최종적으로 적지 작동을 불능케 하는 요인으로 작용하였다.
또한, 고체의 유황 파우더를 가열된 프레스로 가압하면서 녹이게 되므로, 그 만큼 유황을 녹이는데 많은 시간이 소요되어 단위시간당 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 주사기, 압출기 등과 같은 별도의 추가 설비 없이도 액상의 유황을 펠트에 주입함과 아울러 진공 분위기 하에서 펠트에 유황을 함침할 수 있도록 한 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극재로서 펠트에 유황을 함침하여 성형하기 위한 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치에 있어서,
진공 챔버;
상기 진공 챔버 내에 위치하고, 상기 펠트를 성형하기 위한 성형부;
상기 진공 챔버의 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 진공 펌프; 및
상기 진공 챔버의 상부에 제공되고, 상기 성형부에 파우더 상태의 유황을 녹여 액상으로 주입하기 위한 유황 탱크를 를 포함하는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치가 제공된다.
상기 진공 챔버는 상기 진공 펌프와 연결 라인에 의하여 연결되고, 상기 연결 라인에는 제어 밸브가 설치될 수 있다.
상기 성형부는 상기 진공 챔버 내부의 하부에 위치되고, 성형할 펠트가 놓여지는 하부 성형 몰드; 및 상기 진공 챔부 내부의 상부에 위치되고, 상기 하부 성형 몰드에 놓여진 상기 펠트를 가압하기 위한 상부 성형 몰드를 포함할 수 있다.
상기 상부 성형 몰드는 상, 하부로 이동 가능하게 실린더와 연결될 수 있다.
상기 실린더는 유압식 또는 전기식으로 구동될 수 있다.
상기 유황 탱크는 상기 하부 성형 몰드 또는 상부 성형 몰드와 유황 주입 라인에 의하여 연결될 수 있다.
상기 유황 탱크에는 상기 유황 탱크의 내부에 압력을 가하기 위한 가압 펌프가 연결될 수 있다.
상기 유황 탱크의 내부에는 상기 유황을 교반시켜 주기 위한 임펠러가 설치될 수 있다.
상기 유황 탱크에는 상기 유황 탱크 내부의 온도를 일정하게 가열시켜 주기 위한 오일 탱크가 연결 수 있다.
상기 오일 탱크에는 상기 오일 탱크에 저장된 오일을 일정한 온도 이상으로 가열하기 위한 히터가 설치 수 있다.
상기 하부 성형 몰드에는 상기 펠트의 성형 후 상기 상, 하부 성형 몰드를 냉각시켜 주기 위한 냉각기가 연결될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 주사기, 압출기 등과 같은 별도의 추가 설비 없이도 액상의 유황을 펠트에 주입함과 아울러 진공 분위기 하에서 펠트에 유황을 함침할 수 있도록 함으로써, 유황을 녹이는 시간을 최소화 할 수 있고, 액상의 유황을 주입하는데 별도의 동력을 소모하지 않으며, 펠트 내에 기포가 포집되는 것을 미연에 방지할 수 있으므로, 유황 함침 균일성이 우수한 나트륨-유황 전지용 양극재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치는, 진공 분위기의 유지가 가능한 진공 챔버(100);
상기 진공 챔버(100) 내에 위치하고, 펠트(F)를 성형하기 위한 성형부(200);
상기 진공 챔버(100)의 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 진공 펌프(300); 및
상기 진공 챔버(100)의 상부에 제공되고, 상기 성형부(200)에 파우더 상태의 유황을 녹여 액상으로 주입하기 위한 유황 탱크(400)
를 포함할 수 있다.
상기 진공 챔버(100)는 상기 진공 펌프(300)와 연결 라인(110)에 의하여 연결되고, 상기 연결 라인(110)에는 제어 밸브(120)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 진공 챔버(100)에는 그 내부의 압력을 배출하기 위한 배출 밸브(130)가 설치될 수 있다.
상기 성형부(200)는 상기 진공 챔버(100) 내부의 하부에 위치되고, 성형할 펠트(F)가 놓여지는 하부 성형 몰드(210); 및 상기 진공 챔부(100) 내부의 상부에 위치되고, 상기 하부 성형 몰드(210)에 놓여진 펠트(F)를 가압하기 위한 상부 성형 몰드(220)를 포함할 수 있다.
상기 펠트(F)는 예컨대, 탄소 섬유로 이루어질 수 있다.
상기 상부 성형 몰드(220)는 상, 하부로 이동 가능하게 작동될 수 있도록 실린더(230)와 연결되고, 상기 실린더(230)는 상기 상부 성형 몰드(220)의 상부에 설치될 수 있다.
상기 실린더(230)는 유압식 또는 전기식 등으로 구동될 수 있다.
여기서, 상기 상, 하부 성형 몰드(220, 210)는 반원형으로 형성되어 있지만, 상기 펠트의 형상에 따라 다양한 형상으로 변경 가능하다.
또한, 상기 상, 하부 성형 몰드(220, 210)는 필요에 따라 교체 가능함은 물론이다.
상기 유황 탱크(400)에는 상기 펠트(F)에 액상의 유황을 주입할 수 있도록 상기 하부 성형 몰드(210) 또는 상부 성형 몰드(220)와 유황 주입 라인(410)에 의하여 연결될 수 있다.
상기 유황 주입 라인(410)에는 이의 개폐를 위한 제어 밸브(420)가 설치될 수 있다.
상기 유황 탱크(400)의 내부는 상기 진공 챔버(100)와 압력 차이를 발생할 수 있도록 일정한 크기 이상의 압력 상태로 유지될 수 있으며, 상기 유황 탱크(400)에는 상기 유황 탱크(400)의 내부에 압력을 가하기 위한 가압 펌프(430)가 연결될 수 있다.
상기 유황 탱크(400)의 상단부에는 상기 유황 탱크(400)를 덮어주기 위한 커버(440)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 유황 탱크(400)의 내부에는 상기 유황 탱크(400)의 내부에 공급되는 파우더 형태의 유황을 잘 녹을 수 있도록 교반시켜 주기 위한 임펠러(450)가 설치될 수 있다.
상기 임펠러(410)는 상기 유황 탱크(400)의 상부에 설치된 구동모터(460)에 의하여 구동될 수 있다.
또한, 상기 유황 탱크(400)에는 상기 유황 탱크(400) 내부의 온도를 일정하게 가열시켜 주기 위한 오일 탱크(500)가 연결될 수 있다.
상기 오일은 일정한 온도 이상의 열을 가지고 있는 열매체유(heat medium oil)로 이루어질 수 있다.
상기 오일 탱크(400)에는 상기 오일 탱크(400)에 저장된 오일을 일정한 온도 이상으로 가열하기 위한 히터(510)가 설치될 수 있다.
상기 오일 탱크(500)는 상기 유황 탱크(400)에 상기 오일을 공급하기 위한 공급 라인(520)과, 상기 유황 탱크(400)로부터 상기 오일을 상기 오일 탱크(500)로 리턴시키기 위한 리턴 라인(522)으로 연결될 수 있다.
상기 공급 라인(520)에는 이의 개폐를 위한 제어 밸브(530)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 하부 성형 몰드(210)에는 상기 펠트(F)의 성형 후 상기 상, 하부 성형 몰드(220, 210)를 냉각시켜 주기 위한 냉각기(600)가 연결될 수 있다.
이하에서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치의 작동에 대해서 설명한다.
먼저, 상기 진공 챔버(100)의 내부에 상기 펠트(F)를 투입하여, 상기 펠트를 상기 하부 성형 몰드(210) 위에 위치시켜 준다. 그리고, 상기 진공 펌프(300)를 가동시키고, 상기 제어 밸브(120)를 열어 주면, 상기 진공 펌프(300)에 의하여 상기 진공 챔버(100) 내부는 진공 분위기로 형성된다.
그리고, 상기 유황 탱크(400)의 커버(440)를 열어서 파우더 형태의 유황을 담은 후 커버(440)를 닫아 주고, 가압 펌프(430)를 구동시키고 제어 밸브(432)를 열어 주면 상기 가압 펌프(430)에 의하여 상기 유황 탱크(400)의 내부는 일정한 크기의 압력 상태로 된다.
그리고, 상기 히터(510)를 작동시켜 상기 오일 탱크(500) 내부의 오일을 일정한 온도 이상으로 가열시켜 주고, 상기 제어 밸브(530)를 열어 주면, 상기 오일 탱크(500)의 오일이 공급 라인(520)을 통하여 상기 유황 탱크(400)의 외측으로 공급되어 상기 유황 탱크(400)를 일정한 온도, 예컨대 150℃로 가열시켜 준다. 그러면, 상기 유황 탱크(400)에 담겨 있는 파우더 형태의 유황이 서서히 녹게 된다.
이 때, 상기 구동모터(440)를 구동시켜 임펠러(450)를 회전시키면, 상기 임펠러(450)는 서서히 녹고 있는 유황을 잘 녹을 수 있게 교반시켜 준다. 그러면, 상기 유황은 액상으로 되고, 상기 유황 탱크(400)의 내부에는 액상의 유황이 저장된다.
상기와 같이 상기 진공 챔버(100) 내부를 진공 분위기로 한 상태에서, 실린더(230)를 작동시켜 상기 상부 성형 몰드(220)를 상기 하부 성형 몰드(210)로 가압하고, 제어 밸브(420)를 열어 주면 상기 유황 탱크(400)와 상기 진공 챔버(100)간의 압력 차이에 의하여 상기 유황 탱크(400)에 저장된 액상의 유황이 유황 주입 라인(410)에 의하여 상기 하부 성형 몰드(210)로 주입된다.
상기 유황 탱크(400)의 액상의 유황이 상기 하부 성형 몰드(210)로 주입되면, 상기 펠트(F)에 액상의 유황이 골고루 함침되고, 상기 펠트의 성형이 완료된다.
상기 펠트의 성형이 완료되면, 상기 냉각기(600)를 가동시켜 상기 하부 성형 몰드(210)와 상기 상부 성형 몰드(220)를 일정한 온도 이하로 신속하게 냉각시켜 준다.
그리고, 상기 상, 하부 성형 몰드(220, 210)가 일정한 온도 이하로 냉각되면, 상기 실린더(230)를 작동시켜, 상기 상부 성형 몰드(220)를 상부로 이동시켜 상기 하부 성형 몰드(210)와 이격시켜 주고, 상기 성형된 펠트(F)를 상기 하부 성형 몰드(210)로부터 분리시켜 준다.
이와 같이, 본 발명에서는 상기 펠트의 유황 함침 작업을 진공 분위기에서 행하게 되므로, 펠트 내에 기포가 포집되지 않게 되고, 유황 탱크에 저장된 액상의 유황을 유황 탱크와 진공 챔버 간의 압력 차이에 의하여 하부 성형 몰드로 공급하게 되므로 유황 공급을 위한 별도의 설비가 필요하지 않게 되며, 유황 탱크 내부의 파우더 형태의 유황을 가열된 오일로 일정한 온도로 가열함과 아울러 임펠러에 의하여 유황을 교반시키면서 녹이게 되므로, 유황을 녹이는 시간이 최소화 될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 진공 챔버 200: 성형부
300: 진공 펌프 400: 유황 탱크
500: 오일 탱크 600: 냉각기

Claims (11)

  1. 양극재로서 펠트에 유황을 함침하여 성형하기 위한 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치에 있어서,
    진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 위치하고, 상기 펠트를 성형하기 위한 성형부;
    상기 진공 챔버의 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 진공 펌프; 및
    상기 진공 챔버의 상부에 제공되고, 상기 성형부에 파우더 상태의 유황을 녹여 액상으로 주입하기 위한 유황 탱크
    를 포함하고,
    상기 성형부는 상기 진공 챔버 내부의 하부에 위치되고, 성형할 펠트가 놓여지는 하부 성형 몰드; 및 상기 진공 챔부 내부의 상부에 위치되고, 상기 하부 성형 몰드에 놓여진 상기 펠트를 가압하기 위한 상부 성형 몰드를 포함하는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공 챔버는 상기 진공 펌프와 연결 라인에 의하여 연결되고, 상기 연결 라인에는 제어 밸브가 설치되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 성형 몰드는 상, 하부로 이동 가능하게 실린더와 연결되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실린더는 유압식 또는 전기식으로 구동되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유황 탱크는 상기 하부 성형 몰드 또는 상부 성형 몰드와 유황 주입 라인에 의하여 연결되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  7. 양극재로서 펠트에 유황을 함침하여 성형하기 위한 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치에 있어서,
    진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 위치하고, 상기 펠트를 성형하기 위한 성형부;
    상기 진공 챔버의 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 진공 펌프; 및
    상기 진공 챔버의 상부에 제공되고, 상기 성형부에 파우더 상태의 유황을 녹여 액상으로 주입하기 위한 유황 탱크
    를 포함하고,
    상기 유황 탱크에는 상기 유황 탱크의 내부에 압력을 가하기 위한 가압 펌프가 연결되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  8. 양극재로서 펠트에 유황을 함침하여 성형하기 위한 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치에 있어서,
    진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 위치하고, 상기 펠트를 성형하기 위한 성형부;
    상기 진공 챔버의 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 진공 펌프; 및
    상기 진공 챔버의 상부에 제공되고, 상기 성형부에 파우더 상태의 유황을 녹여 액상으로 주입하기 위한 유황 탱크
    를 포함하고,
    상기 유황 탱크의 내부에는 상기 유황을 교반시켜 주기 위한 임펠러가 설치되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  9. 양극재로서 펠트에 유황을 함침하여 성형하기 위한 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치에 있어서,
    진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 위치하고, 상기 펠트를 성형하기 위한 성형부;
    상기 진공 챔버의 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 진공 펌프; 및
    상기 진공 챔버의 상부에 제공되고, 상기 성형부에 파우더 상태의 유황을 녹여 액상으로 주입하기 위한 유황 탱크
    를 포함하고,
    상기 유황 탱크에는 상기 유황 탱크 내부의 온도를 일정하게 가열시켜 주기 위한 오일 탱크가 연결되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 오일 탱크에는 상기 오일 탱크에 저장된 오일을 일정한 온도 이상으로 가열하기 위한 히터가 설치되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하부 성형 몰드에는 상기 펠트의 성형 후 상기 상, 하부 성형 몰드를 냉각시켜 주기 위한 냉각기가 연결되는 나트륨-유황 전지용 양극재의 유황 펠트 성형 장치.
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