KR101633260B1 - 이차 전지용 양극 활물질 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

이차 전지용 양극 활물질 제조 방법 및 제조 장치 Download PDF

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Abstract

양극 활물질을 구성하는 이종 원료들을 보다 효율적으로 혼합할 수 있도록,원료별로 중량을 재어 준비하는 단계와, 준비된 원료들을 건식 혼합하는 단계, 혼합된 원료를 압축하는 단계, 압축된 원료를 가열하는 단계, 가열 후 응결된 반응물을 분쇄하는 단계를 포함하는 이차 전지용 양극 활물질 제조 방법을 제공한다.

Description

이차 전지용 양극 활물질 제조 방법 및 제조 장치{METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING ANODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM BATTERY}
본 발명은 리튬 이차 전지용 망간계 양극 활물질 제조를 위한 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 망간계 양극 활물질을 보다 균일하게 혼합할 수 있도록 이차 전지용 양극 활물질 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 이차 전지용 망간계 양극 활물질은 원료별로 중량을 잰 후 각 원료를 최대한 균일하게 혼합하고, 혼합된 원료를 가열(하소)하고 분쇄하는 공정을 거쳐 제조된다.
세부적으로 원료를 혼합하는 공정은 분쇄기(Bead Mill)을 이용하여 원료를 분쇄하고, 드라이기(Spray Dry)를 이용하여 원하는 전구체를 제조하는 과정이 포함된다. 그러나, 분쇄기와 드라이기를 이용하는 경우 상당량의 폐수가 발생하고, 고에너지에 따른 비용의 상승으로 양극 활물질의 단가가 상승하게 된다.
이러한 문제 해결을 위해, 물을 사용하지 않는 건식공정이 적용될 수 있다. 건식공정은 혼합 공정에서 물을 이용하지 않고, 원재료를 혼합기에 넣고 혼합하는 방식으로 폐수 발생이 없고 저 에너지 비용으로 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.
리튬 이차 전지에 있어서, 양극 활물질을 구성하는 이종 물질인 리튬(Li2CO3)과 망간(Mn3O4)의 혼합 정도에 따라 양극재의 최종 성능이 달라지게 된다. 리튬과 망간의 혼합도가 떨어지게 되면, 이후 소성공정에서 리튬 입자가 망간 입자에 제대로 녹아들지 않게 되어 양극재의 성능이 떨어지게 된다.
양극 활물질을 구성하는 이종 원료들을 보다 효율적으로 혼합 및 결합될 수 있도록 한 이차 전지용 양극 활물질 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.
본 실시예에 따른 제조 방법은 원료별로 중량을 재어 준비하는 단계와, 준비된 원료들을 건식 혼합하는 단계, 혼합된 원료를 압축하는 단계, 압축된 원료를 가열하는 단계, 가열 후 응결된 반응물을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 원료를 압축하는 단계에서 압축력은 6 ~ 8kfg/㎣ 일 수 있다.
본 실시예의 제조 장치는 이차전지의 양극 활물질을 이루는 적어도 한 종 이상의 원료가 혼합된 혼합원료를 압축하는 압축기를 포함하고, 상기 압축기는 작업대와, 상기 작업대 상에 놓여지고 내부에 혼합원료가 수용되는 용기, 상기 작업대 연결되어 상기 용기 위쪽에 배치되는 지지프레임, 상기 지지프레임에 상하로 이동가능하게 설치되고 상기 용기 내부에서 혼합원료를 가압하는 압축판, 상기 지지프레임에 설치되어 압축판을 상하로 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.
상기 용기는 상기 작업대에 탈착가능하게 설치되고, 용기 외측면에는 손잡이가 설치될 수 있다.
상기 구동부는 지지프레임을 관통하여 상하로 이동가능하게 설치되고 하단에는 상기 압축판이 설치되며 표면에는 수나사가 가공된 이송스크류, 상기 지지프레임에 회전가능하게 설치되고 내주면에는 암나사가 형성되어 상기 이송스크류와 맞물리고 외주면에는 기어가 형성된 회전기어, 상기 지지프레임 상부에 설치되는 구동모터, 구동모터의 회전축에 설치되고 상기 회전기어에 맞물리는 구동기어를 포함할 수 있다.
상기 지지프레임 상에 설치되고 전면에는 수직방향으로 안내홈이 형성된 가이드부재와, 상기 이송스크류의 상단에 설치되고 수평으로 연장되어 상기 안내홈에 끼워지는 안내돌기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 양극 활물질을 구성하는 이종 원료들을 혼합한 후 압축함으로써, 원료들의 결합력이 증가하여 소성 공정을 통해 양극재로의 합성이 보다 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.
이에, 최종 제조되는 양극재의 불량 발생과 성능 저하를 방지할 수 있게 된다.
종래 원료들을 혼합하여 양극재를 제조하는 것과 비교하여 보다 우수한 양극 활물질의 제조가 가능하여 이를 통해 성능이 향상된 이차전지의 제조가 가능하다.
도 1은 본 실시예에 따른 이차 전지용 양극 활물질 제조 과정을 도시한 개략적인 순서도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 이차 전지용 양극 활물질 제조장치를 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 이차 전지용 양극 활물질 제조장치의 작용을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 설명에서, 양극 활물질은 이차전지의 양극재 제조에 사용되는 물질을 말하는 것으로, 본 실시예에서는 리튬 이차 전지용 망간계 양극 활물질을 제조하는 장치를 예로서 설명한다. 본 실시예의 제조장치는 망간계 양극 활물질에 한정되지 않으며, 다양한 전지용 양극 활물질 제조에 모두 적용 가능하다.
도 1은 본 실시예에 따른 이차 전지용 양극 활물질 제조과정을 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 양극 활물질을 제조하기 위한 과정을 살펴보면, 원료별로 중량을 재어 준비하는 단계(S100)와, 준비된 원료들을 건식 혼합하는 단계(S120)와, 혼합된 원료를 압축하는 단계(S140), 압축된 원료를 가열하는 단계(S160), 가열 후 응결된 반응물을 분쇄하는 단계(S180)를 포함한다.
본 실시예의 제조 공정은 건식 공정으로 혼합을 위한 용매를 사용하지 않는다.
양극 활물질의 원료인 리튬(Li2CO3)과 망간(Mn3O4)은 배합비에 맞춰 설정된 중량으로 정확히 준비된다. 준비된 원료들은 용매없이 혼합장치에 투입되어 서로 혼합된다.
상기 원료들을 혼합하기 위한 혼합 장치는 예를 들어, 용기 내부에 원료들을 교반하는 교반날개가 구비되어, 교반날개의 회전을 통해 서로 혼합되는 구조일 수 있다. 상기 원료들의 혼합은 교반날개를 이용한 구조 외에 다양한 방법이 적용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
상기 혼합 과정을 거쳐 혼합된 원료(이하 설명의 편의를 위해 혼합 원료 한다)는 압축 과정을 통해 압축된다.
이와 같이, 본 제조 공정은 혼합공정을 통해 망간과 리튬을 혼합하고, 이 혼합원료를 압축시킴으로써, 원료들의 결합력을 보다 증대시킬 수 있게 된다. 이에, 후공정을 통해 혼합원료를 가열할 때 원료인 리튬 입자가 망간 입자에 제대로 녹아들어 고품질의 양극재를 얻을 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 원료들 압축시 압축력은 6 ~ 8kfg/㎣ 일 수 있다. 원료들에 대한 압축력이 상기 범위를 벗어나게 되면 압축력이 적어 압축에 따른 효과가 나타나지 않거나, 압축력이 너무 강하여 입자 파괴가 발생하고 소성 후 양극재의 성능이 현저하게 떨어지게 된다.
상기 압축 과정을 거친 원료들은 가열 공정을 거쳐 가열된 후, 파쇄 공정을 거쳐 분쇄되어 양극재로 제조된다.
한편, 도 2와 도 3은 상기 양극재를 제조하기 위한 제조장치를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 상기 제조장치는 이차전지의 양극 활물질을 이루는 적어도 한 종 이상의 원료가 혼합된 혼합원료를 압축하는 압축기(100)를 포함한다.
본 실시예에서, 상기 압축기(100)는 작업대(10)와, 상기 작업대(10) 상에 놓여지고 내부에 혼합원료가 수용되는 용기(20), 상기 작업대(10) 연결되어 상기 용기(20) 위쪽에 배치되는 지지프레임(30), 상기 지지프레임(30)에 상하로 이동가능하게 설치되고 상기 용기(20) 내부에서 혼합원료를 가압하는 압축판(40), 상기 지지프레임(30)에 설치되어 압축판(40)을 상하로 이동시키는 구동부(50)를 포함한다.
상기 용기(20)는 상기 작업대(10)와 별도로 분리가능한 구조로 되어 있다. 상기 용기(20)는 상단이 개방된 구조로 내부에 혼합원료가 수용된다. 상기 용기(20)는 외측면에 손잡이(22)가 설치되어, 필요시 상기 손잡이(22)를 이용하여 보다 편리하게 이동시킬 수 있다.
이에, 혼합장치의 출측에 용기(20)를 위치시켜 혼합원료를 받고, 혼합원료가 채워진 용기(20)는 손잡이(22)를 이용하여 본 장치의 작업대(10) 상으로 이동시킬 수 있다.
상기 용기(20)의 형태는 원통형로 이루어질 수 있으며, 원통형태 외에 다양한 형태로 형성 가능하다.
상기 압축판(40)은 평판 구조물로, 용기(20)의 내경 및 형태와 대응되는 외경 및 형태를 이룬다. 이에, 용기(20)를 압축판(40) 바로 밑에 위치시키고 압축판(40)을 밑으로 내리게 되면 상기 압축판(40)은 용기(20)의 내주면에 밀착되어 상하로 이동된다.
상기 구동부(50)는 지지프레임(30)을 관통하여 상하로 이동가능하게 설치되고 하단에는 상기 압축판(40)이 설치되며 표면에는 수나사가 가공된 이송스크류(52), 상기 지지프레임(30)에 회전가능하게 설치되고 내주면에는 암나사가 형성되어 상기 이송스크류(52)와 맞물리고 외주면에는 기어가 형성된 회전기어(54), 상기 지지프레임(30) 상부에 설치되는 구동모터(58), 구동모터(58)의 회전축에 설치되고 상기 회전기어(54)에 맞물리는 구동기어(56)를 포함한다.
상기 지지프레임(30)은 작업대(10)에 고정 설치되어 이송스크류(52)와 회전기어(54) 및 구동모터(58)를 지지한다.
작업대(10) 상에서 지지프레임(30)의 이격된 높이는 대략 용기(20)의 높이보다 충분히 커서 지지프레임(30) 아래쪽에 용기(20)가 놓여질 수 있도록 한다.
상기 이송스크류(52)는 지지프레임(30)을 관통하여 작업대(10) 상에 수직으로 배치된다. 상기 이송스크류(52)의 하단에 상기 압축판(40)이 설치된다. 상기 이송스크류(52)가 상하로 이동되면 이송스크류(52)에 설치된 압축판(40)이 이동되어 용기(20) 내에 수용된 혼합 원료를 압축하게 된다.
상기 회전기어(54) 및 구동기어(56)는 구동모터(58)의 동력을 이송스크류(52)로 전달하여 지지프레임(30)에 대해 상기 이송스크류(52)를 상하로 이동시키게 된다.
본 실시예에서 상기 회전기어(54)는 지지프레임(30) 상단에 회전가능하게 설치된다. 상기 회전기어(54)의 중심에 상기 이송스크류(52)가 관통되어 서로 나사결합된다. 이에, 지지프레임(30) 상에서 회전기어(54)가 일방향으로 회전되면 이송스크류(52)가 상하로 이동하게 된다.
이송스크류(52)가 상하로 이동하기 위해서는 상기 회전기어(54)가 회전하는 상태에서 이송스크류(52)는 회전기어(54)와 같이 회전하지 않아야 한다. 이송스크류(52)의 회전 방지를 위해, 본 장치는 상기 지지프레임(30) 상에 설치되고 전면에는 수직방향으로 안내홈(62)이 형성된 가이드부재(60)와, 상기 이송스크류(52)의 상단에 설치되고 수평으로 연장되어 상기 안내홈(62)에 끼워지는 안내돌기(64)를 더 포함한다.
이에, 이송스크류(52)가 상하로 이동되는 과정에서 안내돌기(64)가 가이드부재(60)의 안내홈(62)에 끼워져 있어서 이송스크류(52)가 회전하는 것을 막게 된다. 따라서, 이송스크류(52)는 상하로 이동만 가능하게 된다.
이하, 본 장치의 작용에 대해 설명하면, 혼합장치를 거쳐 교반된 혼합원료는 용기(20)에 담아 본 장치로 이송한다.
혼합원료가 담긴 용기(20)는 작업대(10) 상에서 압축판(40) 바로 밑에 위치시킨다. 이 상태에서 구동모터(58)를 작동하게 되면 구동모터(58)의 회전력이 구동기어(56)를 통해 회전기어(54)로 전달되어, 회전기어(54)가 지지프레임(30) 상에서 회전한다.
회전기어(54)가 회전함에 따라 회전기어(54)에 나사결합되어 있는 이송스크류(52)가 지지프레임(30)에 대해 하방향으로 이동하게 된다. 이에, 이송스크류(52) 하단에 설치된 가압판이 용기(20) 내부로 이동하여 용기(20)에 수용된 혼합원료를 압축한다. 혼합원료는 하강하는 압축판(40)과 용기(20) 바닥면 사이에서 압축된다.
이와 같이, 교반된 혼합원료를 압축 처리함으로써, 압축된 혼합원료로 보다 성능이 개선된 양극재를 제조할 수 있게 된다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다.
10 : 작업대 20 : 용기
22 : 손잡이 30 : 지지프레임
40 : 압축판 50 : 구동부
52 : 이송스크류 54 : 회전기어
56 : 구동기어 58 : 구동모터
60 : 가이드부재 62 : 안내홈
64 : 안내돌기

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 이차 전지용 양극 활물질 제조 장치에 있어서,
    이차전지의 양극 활물질을 이루는 적어도 한 종 이상의 원료가 용매없이 건식 혼합된 혼합원료를 압축하는 압축기를 포함하고,
    상기 압축기는 작업대와, 상기 작업대 상에 놓여지고 내부에 건식의 혼합원료가 수용되는 용기, 상기 작업대에 연결되어 상기 용기 위쪽에 배치되는 지지프레임, 상기 지지프레임에 상하로 이동가능하게 설치되고 상기 용기 내부에서 혼합원료를 가압하는 압축판, 상기 지지프레임에 설치되어 압축판을 상하로 이동시키는 구동부를 포함하며,
    상기 구동부는 지지프레임을 관통하여 상하로 이동가능하게 설치되고 하단에는 상기 압축판이 설치되며 표면에는 수나사가 가공된 이송스크류, 상기 지지프레임에 회전가능하게 설치되고 내주면에는 암나사가 형성되어 상기 이송스크류와 맞물리고 외주면에는 기어가 형성된 회전기어, 상기 지지프레임 상부에 설치되는 구동모터, 구동모터의 회전축에 설치되고 상기 회전기어에 맞물리는 구동기어를 포함하고,
    상기 압축기의 압축력은 6 ~ 8kfg/㎣인 이차 전지용 양극 활물질 제조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 용기는 상기 작업대에 탈착가능하게 설치되고, 용기 외측면에는 손잡이가 설치된 이차 전지용 양극 활물질 제조 장치.
  5. 삭제
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 지지프레임 상에 설치되고 전면에는 수직방향으로 안내홈이 형성된 가이드부재와, 상기 이송스크류의 상단에 설치되고 수평으로 연장되어 상기 안내홈에 끼워지는 안내돌기를 더 포함하는 이차 전지용 양극 활물질 제조 장치.
  7. 삭제
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