KR101599569B1 - 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리 및 이를 포함하는 양극 활물질의 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리 및 이를 포함하는 양극 활물질의 제조장치에 관한 것이다. 본 발명은 철 용액 및 리튬 용액과, 초임계수가 초임계 반응을 통하여 생성된 생성물을 필터링하기 위한 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리에 있어서, 일측에서 상기 생성물이 유입되는 필터 용기, 및 필터 용기의 내부에 상기 생성물의 유입력에 의하여 회전가능하게 설치되고, 슬러리 상태의 생성물에서 파우더를 필터링하는 필터를 포함한다. 그리고, 필터 용기의 측벽에는 복수개의 분무공이 형성되어 생성물이 필터 측으로 분사되도록 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 필터 용기로 유입되는 생성물의 유입력에 의해 필터가 자체적으로 회전이 가능한 구조를 가지므로, 슬러리의 제거를 위해 별도의 임펠러와 같은 장치를 설치할 필요가 없어 구성이 간소화되고 제조 원가가 절감될 수 있다. 또한, 필터에 걸러진 슬러리가 생성물의 유입력에 의해 자연적으로 제거될 수 있으므로, 필터의 효율도 향상될 수 있다.

Description

양극 활물질 제조용 필터 어셈블리 및 이를 포함하는 양극 활물질의 제조장치{Filter assembly for manufacturing positive active material and manufacturing apparatus for positive active material having the same}

본 발명은 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극 활물질 제조시에 반응물에 포함된 슬러리를 보다 효과적으로 걸러주고, 필터링 효율을 높일 수 있는 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리 및 이를 포함하는 양극 활물질의 제조장치에 관한 것이다.

모바일 기기와 같은 휴대용 전자기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장하고 있는 추세이다.

또한, 리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.

이러한 리튬 이차 전지에서 양극 활물질로는 층상 혹은 스피넬 구조의 전이금속 산화물이 사용되고 있으며, 최근 안전성이 우수한 리튬 전이금속 포스페이트 양극 활물질이 널리 연구되고 있다.

리튬 전이금속 포스페이트 물질은 크게 나시콘(Nasicon) 구조인 LixM₂(PO₄)₃와 올리빈(Olivine) 구조의 LiMPO₄로 구분되고, 기존의 LiCoO₂에 비해서 고온 안정성이 우수한 물질로 연구되고 있다.

현재 나시콘 구조의 Li₃V₂(PO₄)₃(Saphion)가 Valence사에 의해 개발되어 있고, 올리빈 구조의 화합물 중에서는 LiFePO₄와 Li(Mn,Fe)PO₄ 올리빈 구조의 물질이 가장 널리 연구되고 있다.

특히 올리빈 구조의 리튬인산철(LiFePO₄)는 리튬 대비 ~3.4 V의 다소 낮은 전압상의 불리함에도 불구하고 170 mAh/g의 높은 이론 용량과 우수한 고온 안정성, 저가의 Fe 사용 등의 장점으로 인해 향후 리튬 이차 전지 양극 활물질로의 적용 가능성이 있으며, 하이브리드 전기자동차(HEV)용 리튬 이온 이차 전지의 양극 활물질로서 많은 연구가 이루어지고 있다.

이상에서 설명한 양극 활물질의 제조 공정은 일반적으로 철 용액 및 리튬 용액과, 초임계수를 서로 교반한 후에 이를 반응기에 투입하여 고온 고압의 조건 하에서 초임계 반응을 통해 리튬인산철과 같은 생성물을 생성한다.

한편, 초임계 반응을 통해 얻어진 생성물에는 슬러리(slurry)가 포함되어 있기 때문에 이를 필터링하기 위해서 필터 어셈블리로 투입되고, 필터 어셈블리에서 슬러리가 걸러진 생성물은 생성물 저장조에 저장되는 공정을 거친다.

이러한 양극 활물질의 제조공정 중에 슬러리를 필터링하는 필터 어셈블리는 일반적으로 내부에 회전가능하게 설치된 임펠러와, 슬러리가 걸러지는 필터를 구비하고 있다. 하지만, 종래의 필터 어셈블리에서는 필터에 과도하게 많은 슬러리가 여과되고 슬러리의 제거가 효율적으로 이루어지지 않아, 시간이 지날수록 필터의 효율이 떨어져 최종 생성물의 품질에도 나쁜 영향을 미치는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 슬러리가 유입되는 유입력에 의하여 필터가 자체적으로 회전되면서 여과된 슬러리를 제거하여 필터의 효율을 보다 높일 수 있는 구조를 가진 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리 및 이를 포함하는 양극 활물질의 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명에 의한 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리는 철 용액 및 리튬 용액과, 초임계수가 초임계 반응을 통하여 생성된 생성물을 필터링하기 위한 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리에 있어서, 일측에서 상기 생성물이 유입되는 필터 용기; 및 상기 필터 용기의 내부에 상기 생성물의 유입력에 의하여 회전가능하게 설치되고, 슬러리 상태의 생성물에서 파우더를 필터링하는 필터를 포함하고, 상기 필터 용기의 측벽에는 복수개의 분무공이 형성되어 상기 생성물이 상기 필터 측으로 분사되도록 할 수 있다.

상기 필터는 상기 필터 용기의 천장면에 고정축에 아이들 상태로 회전가능하게 설치될 수 있다.

상기 고정축에는 회전볼이 구비되고, 상기 회전볼에 연결튜브가 회전가능하게 연결되며, 상기 연결튜브는 상기 필터와 고정되게 연결될 수 있다.

상기 필터는 중공의 원통 형상을 가지고, 상기 필터 용기의 내부에 상하방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

상기 분무공은 상기 필터의 회전 중심에 대하여 편심된 위치에 배치될 수 있다.

상기 분무공은 상기 필터의 가장자리에서 상기 필터 용기의 측벽에 수직하게 연장한 연장선과 상기 필터 용기의 측벽이 만나는 지점에 형성될 수 있다.

상기 분무공은 상기 필터 용기의 측벽에 수직 방향을 따라 복수개의 열 및 행으로 배치될 수 있다.

상기 필터 용기의 측면에는 상기 생성물의 유동 단면적이 증가하는 확장부가 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명에 의한 양극 활물질의 제조장치는 철 용액 및 리튬 용액과, 초임계수가 서로 만나 교반되는 교반장치; 상기 교반장치에서 상기 메인믹서에서 교반된 혼합물의 초임계 반응을 통해 생성물을 생성하는 반응기; 및 상기 반응기에서 생성된 슬러리 상태의 생성물에서 파우더를 필터링하기 위한 필터 어셈블리를 포함할 수 있다.

물 저장조; 상기 물 저장조로부터 공급된 물과 상기 교반장치에서 혼합된 혼합물을 열교환하여 고온의 상태로 만드는 열교환기; 및 상기 열교환기를 통과한 물을 가열하여 초임계수로 만드는 히터를 더 포함할 수 있다.

상기 양극 활물질은 올리빈 구조의 LiMPO₄ 일 수 있다.

본 발명에 의하면, 필터 용기로 유입되는 생성물의 유입력에 의해 필터가 자체적으로 회전이 가능한 구조를 가지므로, 슬러리의 제거를 위해 별도의 임펠러와 같은 장치를 설치할 필요가 없어 구성이 간소화되고 제조 원가가 절감될 수 있다. 그리고, 필터에 걸러진 슬러리가 생성물의 유입력에 의해 자연적으로 제거될 수 있으므로, 필터의 효율도 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 생성물이 분무공을 통해 분무식으로 분사됨으로써, 필터에 보다 균일하게 공급될 수 있고 필터링도 필터 전체에 걸쳐 균일하게 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조장치를 보인 공정도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리를 보인 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리의 필터를 보인 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리를 보인 평면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리의 필터가 회전되는 것을 보인 평면도.

이하에서는 본 발명에 의한 양극 활물질의 제조공정을 도 1을 참조하여 간단하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조장치를 보인 공정도이다.

이에 도시된 바에 따르면, 본 실시예에서 양극 활물질은 철 용액과 리튬 용액이 혼합된 용액과 초임계수를 반응시켜 제조된다. 먼저, 철 용액 저장조(5)와 리튬 용액 저장조(6)에 각각 저장된 철 용액과 리튬 용액은 서로 다른 라인을 통해 교반장치(10)로 투입된다. 교반장치(10)에서는 철 용액 및 리튬 용액과, 초임계수가 서로 만나 교반되어 혼합물을 형성한다.

한편, 물 저장조(7)에 저장된 물은 교반장치(10)에서 혼합된 혼합물과 열교환기(12)를 거치면서 열교환하여 약 300℃ 까지 상승되어 히터(14)로 투입된다. 상기 히터(14)에서 초임계 반응에 필요한 온도(약 400℃)까지 상승이 되고 교반장치(10) 측으로 이동된다.

다음으로, 교반장치(10)에서 교반된 용액은 반응기(16)로 투입된다. 상기 반응기(16)에서 고온 고압의 조건 하에서 초임계 반응이 이루어지고, 올리빈 구조의 리튬인산철(LiFePO₄)이 생성될 수 있다. 여기에서 혼합용액은 약 20℃, 초임계수는 약 400℃로 만나 약 374 내지 383℃ 의 온도를 가진 생성물이 제조된다.

한편, 초임계 반응을 통해 얻어진 생성물에는 슬러리(slurry)가 포함되어 있기 때문에 이를 필터링 하기 위해 필터 어셈블리(20)로 투입된다. 필터 어셈블리(20)에서 슬러리가 필터링된 생성물은 생성물 저장조(40)에 저장이 된다.

이하에서는 본 발명에 의한 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리의 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리를 보인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리의 필터를 보인 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리를 보인 평면도이다.

이에 도시된 바에 따르면, 일 실시예에 따른 필터 어셈블리(20)는 대략 원통 형상의 필터 용기(21)와, 필터 용기(21)의 개구된 상면에 장착되는 덮개(22)를 포함한다.

필터 용기(21)의 일측면에는 초임계 반응을 통해 생성된 생성물이 유입되는 생성물 튜브(17)가 연결된다. 생성물 튜브(17)는 필터 용기(21)의 측면에 복수개가 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 연결될 수 있다(도 4 참조).

그리고, 생성물 튜브(17)의 단부에는 유동 단면적이 확장되는 확장부(18)가 형성될 수 있다. 이와 같이 확장부(18)가 형성된 것은 생성물 튜브(17)를 통해 유입되는 초임계수의 유동을 순간적으로 딜레이(delay)시키기 위함이다. 본 실시예에서 확장부(18)는 반드시 형성되어야 하는 것은 아니고, 생성물 튜브(17)의 단부에 분무공(24)이 형성되는 구조도 가능하다. 다만, 확장부(18)가 형성될 경우, 확장부(18)는 초임계수의 유동을 순간적으로 지연되게 하여 일종의 댐프너(dampener) 역할을 수행할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 생성물 튜브(22)를 통과하는 생성물은 펄스 유동방식으로 투입되는 초임계수와, 혼합 용액(철 용액 및 리튬 용액)의 반응물이기 때문에 펄스 유동에 의한 영향을 받을 수 있다. 물론, 반응물의 생성 과정에서 초임계수의 펄스 유동에 의한 영향은 미미할 수 있지만, 어느 정도 영향이 미치는 경우도 상정한 것이다. 이와 같이 생성물이 펄스 유동방식으로 투입되면 생성물의 유동이 불균일해지게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 확장부(18)를 두어 생성물의 유동이 순간적으로 지연됨으로써 생성물이 균일하게 필터(26)로 분사될 수 있도록 한 것이다.

또한, 확장부(18)에는 복수개의 열 및 행으로 배치되는 분무공(24)이 형성된다. 즉, 분무공(24)은 실질적으로 필터 용기(21)의 측벽에 개구되어 형성된다. 본 실시예에서 분무공(24)은 초임계수가 분무식으로 분사될 수 있도록 하여 필터 용기(21)의 내부에 설치된 필터(26)로 생성물이 균일하게 분사될 수 있도록 한다. 또한, 생성물이 분무식으로 분사됨으로써 순간적으로 유속이 지연됨으로써 일종의 댐프너 역할을 수행할 수 있다. 이상에서 설명한 분무공(24) 만으로도 생성물의 펄스를 줄일 수 있지만, 본 실시예에서는 생성물 튜브(17)의 단부에 확장부(18)를 형성하여 보다 효과적으로 생성물의 유동이 균일해지도록 한 것이다.

이때, 분무공(24)은 필터 용기(21)의 측벽에 수직 방향을 따라 복수개의 열 및 행으로 배치될 수 있다. 또한, 분무공(24)은 예를 들어, 원형, 사각형, 삼각형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 분무공(24)은 동일한 크기를 가지도록 배치될 수도 있고, 열 및 행을 따라 서로 다른 크기를 가지도록 배치될 수도 있다.

필터(26)는 슬러리 상태로 유입되는 생성물에서 파우더를 필터링하는 역할을 한다. 본 실시예에서 필터(26)는 생성물의 유입력에 의하여 회전가능하게 설치된다. 필터(26)는 필터 용기(21)의 천장면에 고정된 고정축(28)에 아이들 상태로 회전가능하게 설치된다. 또한, 본 실시예에서 필터(26)는 중공의 원통 형상을 가지고, 필터 용기(21)의 내부에 상하방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

필터(26)는 도 4에서와 같이 4개가 필터 용기(21)의 중심에 대하여 서로 90°의 중심각을 가지고 원주 방향을 따라 배치될 수 있다. 물론, 필터(26)의 개수는 다양하게 설계될 수 있고, 배치되는 위치도 생성물에 따라 변경될 수 있다.

도 3을 참조하면, 회전볼(30)의 내부에 고정축(28)이 구비되어 있고, 회전볼(30)은 연결 튜브(32)와 서로 회전가능하게 연결되어 있다. 예를 들어, 연결 튜브(32)의 내면에 회전볼(30)이 소정의 간격을 가지도록 실장되어 있어 서로 회전이 가능할 수 있다. 또한, 연결 튜브(32)는 필터(26)에 설치된 필터 튜브(34)와 서로 연결될 수 있다. 물론, 연결 튜브(32)는 필터(26)와 직접 연결되도록 구성될 수도 있다.

이러한 구조를 가진 필터(26)는 생성물의 유압력과 같은 외력에 의하여 아이들 상태로 회전이 가능하다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 생성물이 분사되는 영역(N)에 의해 필터(26)는 일방으로 회전될 수 있다. 필터(26)의 원활한 회전을 위하여 분무공(24)은 필터(26)의 회전중심 즉, 고정축(28)의 회전중심에 대하여 일측으로 편심되어 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 도 5에서와 같이 분무공(24)이 일측으로 편심되어 있음으로써, 필터(26)의 양 가장자리 부분을 유압력으로 타격할 수 있어 필터(26)의 회전이 원활하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 분무공(24)은 필터(26)의 가장자리에서 필터 용기(21)에 수직하게 연장한 수직선과 필터 용기(21)가 만나는 지점에 형성될 수 있다.

이와 같이 필터(26)가 생성물의 유압력에 의하여 자체적으로 회전이 가능하면 필터(26)의 표면에 필터링되는 슬러리(S)가 자동으로 제거될 수 있다. 다시 말해, 생성물이 분사되는 유압력이 필터(26)의 표면에 필터링된 슬러리(S)를 타격하면서 필터(26)가 회전되게 하는 것이다. 이와 같이 되면, 슬러리(S)가 필터(26)의 표면에 과도하게 붙어있지 않게 되므로, 필터(26) 효율이 높아지는 장점이 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 필터 어셈블리(20)에서 필터(26)가 외력에 의해 자체적으로 회전이 가능한 구조를 가지면, 슬러리(S)의 제거를 위해 별도의 임펠러와 같은 장치를 설치할 필요가 없어 별도의 동력원이 필요하지 않게 된다.

또한, 본 발명에서는 생성물이 분무공(24)을 통해 분무식으로 분사됨으로써, 필터(26)에 보다 균일하게 공급될 수 있고 필터링도 균일하게 이루어질 수 있다. 그리고, 생성물에 펄스 유동이 존재하여도 확장부(18) 및 분무공(24)에서 댐프너 역할을 하여 유동을 균일하게 할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

5 : 철 용액 저장조 6 : 리튬 용액 저장조
7 : 물 저장조 10 : 교반장치
12 : 열교환기 14 : 히터
16 : 반응기 17 : 생성물 튜브
18 : 확장부 20 : 필터 어셈블리
21 : 필터 용기 22 : 덮개
24 : 분무공 26 : 필터
28 : 고정축 30 : 회전볼
32 : 연결 튜브 34 : 필터 튜브

Claims (11)

1. 철 용액 및 리튬 용액과, 초임계수가 초임계 반응을 통하여 생성된 생성물을 필터링하기 위한 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리에 있어서,
   일측에서 상기 생성물이 유입되는 필터 용기; 및
   상기 필터 용기의 내부에 상기 생성물의 유입력에 의하여 회전가능하게 설치되고, 슬러리 상태의 생성물에서 파우더를 필터링하는 필터를 포함하고,
   상기 필터 용기의 측벽에는 복수개의 분무공이 형성되어 상기 생성물이 상기 필터 측으로 분사되도록 하며,
   상기 필터는 상기 필터 용기의 천장면에 고정된 고정축에 아이들 상태로 회전가능하게 설치되고,
   상기 고정축에는 회전볼이 구비되고, 상기 회전볼에 연결튜브가 회전가능하게 연결되며, 상기 연결튜브는 상기 필터와 고정되게 연결되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 필터는 중공의 원통 형상을 가지고, 상기 필터 용기의 내부에 상하방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 분무공은 상기 필터의 회전 중심에 대하여 편심된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 분무공은 상기 필터의 가장자리에서 상기 필터 용기의 측벽에 수직하게 연장한 연장선과 상기 필터 용기의 측벽이 만나는 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 분무공은 상기 필터 용기의 측벽에 수직 방향을 따라 복수개의 열 및 행으로 배치되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 필터 용기의 측면에는 상기 생성물의 유동 단면적이 증가하는 확장부가 설치되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질 제조용 필터 어셈블리.
9. 철 용액 및 리튬 용액과, 초임계수가 서로 만나 교반되는 교반장치;
   상기 교반장치에서 교반된 혼합물의 초임계 반응을 통해 생성물을 생성하는 반응기; 및
   상기 반응기에서 생성된 슬러리 상태의 생성물에서 파우더를 필터링하기 위한 제 1 항에 따른 필터 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    물 저장조;
    상기 물 저장조로부터 공급된 물과 상기 교반장치에서 혼합된 혼합물을 열교환하여 고온의 상태로 만드는 열교환기; 및
    상기 열교환기를 통과한 물을 가열하여 초임계수로 만드는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조장치.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 양극 활물질은 올리빈 구조의 LiMPO₄ 인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조장치.

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