KR101800715B1 - 이차 전지용 극판의 건조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차 전지용 극판을 건조하는 방법에 관한 것으로 그 과정에 특징으로서, (A) 상기 극판을 외부와 밀폐된 챔버내로 투입하는 단계; (B) 상기 챔버에 0.1 내지 750Torr 이하의 진공을 형성하여 산소를 흡입하는 단계; (C) 상기 챔버에 열확산을 가속하는 질소, 아르곤, 탄산, 헬륨 중 택일되는 불활성 가스인 촉매제를 950Torr 내지 1000Torr의 가압압력으로 주입하는 단계; (D) 상기 챔버 내의 히터에 의해 80~150℃로 90~120분간 가열되는 촉매제는 챔버의 내면을 따라 송풍팬으로 흡입되고, 흡입된 촉매제는 챔버의 중앙을 지나면서 극판을 가열한 다음, 히터로 유입되어 재 가열되는 경로로 가압 순환시켜 극판을 건조하는 단계; (E) 상기 챔버에 0.1 내지 750Torr 이하의 진공을 형성하여 촉매제를 반출하는 단계; (F) 상기 극판을 챔버로부터 배출하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이에 따라 본 발명은, 기류형성과 함께 열확산을 가속하는 촉매제를 가압 압력으로 주입한 고압 상태에서 내부 히터로 가열하고 순환하는 과정으로 건조함에 따라 전반적인 품질은 향상하고 공수는 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

이차 전지용 극판의 건조방법 {Secondary battery plate drying method}

본 발명은 이차 전지용 음극 및 양극판을 제조하는 일련의 과정 중 극판에 도포된 바인더나 용매를 건조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 극판을 외부로부터 밀폐된 상태에서 질소가스를 가압하여 내부를 순환하는 열풍으로 건조하여 산소에 의한 산화를 방지함과 더불어 불순물이 제거된 청정상태에서 건조함에 따라 전반적인 품질을 향상할 수 있는 이차 전지용 극판의 건조방법에 관한 것이다.

통상적으로, 2차 전지는 양극판, 음극판의 산화, 환원 반응에 의해 충·방전이 이루어지는데 극판 제조 시의 건조 상태에 따라 전지의 품질이 달라진다. 음극이나 양극 극판에 수분이나 기름 및 가스 등의 불순물이 함유될 경우에는 극성의 작용이 불규칙하거나 불량하게 되어 정격 에너지를 발생시키지 못하게 되고, 전지의 수명이 현저하게 줄어들게 된다. 특히, 건조 시 기류에 포함되는 산소에 의해 극판에 산화가 발생하게 되는 심각한 문제가 있다.

즉, 이러한 문제를 해결하기 위해 외부로부터 밀폐 가능한 챔버에 극판을 투입한 다음, 챔버를 진공상태로 전환한 이후 내장된 히터로 기류를 가열하여 내부를 순환하는 열풍으로 건조하였다. 따라서 진공과정에서 기류에 포함된 산소를 제거해줌으로서 산화를 방지해주는 것은 물론, 기류에 포함된 이물질과 함께 극판의 불순물이 제거된 청정상태에서 건조함에 따라 전반적인 품질을 향상할 수가 있었다.

그러나 진공상태에 의해 극판을 건조하는데 필요한 에너지가 증가하게 되어 전반적인 제조성이 저하되는 문제가 있다. 즉, 진공상태이므로 극판에 고온의 열을 전달하거나 전달된 열에 의해 수분을 증발시켜주는 매개체가 희박하여 히터의 필요한 에너지와 함께 건조시간이 증가될 수밖에 없다.

따라서 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해 한국 등록특허공보 제10-1175032호 "극판 건조 장치"와, 한국 등록특허공보 제10-1193169호 "극판 건조장치 및 방법"을 제안하고 있다. 제안된 문헌에 다르면 극판을 진공 건조하는 과정에서 기류를 형성하기 위한 불활성 가스를 공급하여 극판의 산화 방지와 함께 열전달 및 원활한 수분제거로 전반적인 품질과 제조성을 향상할 수가 있었다.

하지만 약한 진공상태에서 불활성 가스를 단순히 내부에 공급하는 것에 그치므로 히터로부터 복사열과 전도열이 미약하여 열손실이 상당한 문제가 있다. 즉, 복사열과 전도열의 부족으로 건조에 소모되는 시간과 에너지가 증가될 수밖에 없다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 개선의 여지가 시급하게 필요하다.

한국 등록특허공보 제10-1175032호 "극판 건조 장치" 한국 등록특허공보 제10-1193169호 "극판 건조장치 및 방법"

이에 따라 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서, 극판을 외부와 밀폐된 상태에서 진공 처리하여 산소에 의한 산화를 방지함과 더불어 불순물이 제거된 청정상태를 조성한 다음, 여기에 기류형성과 함께 열확산을 가속하는 촉매제를 가압 압력으로 주입한 고압 상태에서 내부 히터로 가열하고 순환시켜 전반적인 품질은 향상하고 공수는 절감할 수 있는 이차 전지용 극판의 건조방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 적어도 하나 이상의 극판이 내·외부로 출입 가능한 터널형의 챔버와, 상기 챔버의 내·외부를 개폐하는 역압형 진공밸브로 구성된 본체부; 상기 챔버 상에 극판의 출입을 안내하는 레일과, 상기 극판과 자력으로 연결되어 비접촉으로 출입시키는 전자석 이송유닛으로 구성된 이송부; 상기 챔버 상에 기류를 소정 온도로 가열하는 히터와, 상기 챔버의 기류를 소정 풍속과 풍양으로 순환시키는 송풍팬과, 상기 히터와 송풍팬으로 연통하는 덕트로 구성된 건조부; 및 상기 챔버 상에 내부를 진공상태로 전환하는 흡입유로와, 상기 챔버 상의 열기를 증폭하는 촉매제가 토출되는 주입유로로 구성된 촉매부로 이루어진 건조장치를 이용하여 이차 전지용 극판을 건조하는 방법에 있어서: (A) 상기 극판을 외부와 밀폐된 챔버내로 투입하는 단계; (B) 상기 챔버에 0.1 내지 750Torr 이하의 진공을 형성하여 산소를 흡입하는 단계; (C) 상기 챔버에 열확산을 가속하는 질소, 아르곤, 탄산, 헬륨 중 택일되는 불활성 가스인 촉매제를 950Torr 내지 1000Torr의 가압압력으로 주입하는 단계; (D) 상기 챔버 내의 히터에 의해 80~150℃로 90~120분간 가열되는 촉매제는 챔버의 내면을 따라 송풍팬으로 흡입되고, 흡입된 촉매제는 챔버의 중앙을 지나면서 극판을 가열한 다음, 히터로 유입되어 재 가열되는 경로로 가압 순환시켜 극판을 건조하는 단계; (E) 상기 챔버에 0.1 내지 750Torr 이하의 진공을 형성하여 촉매제를 반출하는 단계; (F) 상기 극판을 챔버로부터 배출하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 극판을 외부와 밀폐된 챔버에서 진공으로 불순물과 산소를 제거해줌에 따라 건조 시 산화를 방지함과 함께 불량을 최소화할 수 있는 것은 물론, 여기에 기류형성과 함께 열확산을 가속하는 촉매제를 가압압력으로 주입한 상태에서 내부 히터로 가열하고 순환시켜 전반적인 품질은 향상하고 공수는 절감할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 건조방법을 전체적으로 간략하게 나타내는 흐름도.
도 2 내지 도 5는 도 1의 방법을 실시하기 위한 건조장치를 나타내는 참고도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 이차 전지용 음극 및 양극판을 제조하는 일련의 과정 중 극판에 도포된 바인더나 용매를 건조하는 방법에 관련되며, 도 1처럼 (A)단계 내지 (F)단계를 거쳐 전반적인 품질은 향상하고 공수는 절감할 수 있는 전지용 극판의 건조방법이다.

본 발명의 건조방법을 구현하기 위해 도 2와 같은 건조장치(100)를 이용할 수 있다. 이러한 건조장치(100)는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것뿐이므로 도시된 구조에 국한될 필요는 없다. 일예로, 건조장치(100)는 크게 본체부(10)와 이송부(20) 및 건조부(30)와 촉매부(40)로 구성된다.

먼저, 본체부(10)는 적어도 하나 이상의 극판(1)이 내·외부로 출입 가능한 터널형의 챔버(11)와, 챔버(11)의 내·외부를 개폐하는 역압형 진공밸브(15)로 구성되고, 이송부(20)는 챔버(11)상에 극판(1)의 출입을 안내하는 레일(21)과, 극판(1)과 자력으로 연결되어 비접촉으로 출입시키는 전자석 이송유닛(25)으로 구성된다.

그리고 건조부(30)는 챔버(11)상에 기류를 소정 온도로 가열하는 히터(31)와, 챔버(11)의 기류를 소정 풍속과 풍양으로 순환시키는 송풍팬(35)으로 구성되고, 촉매부(40)는 챔버(11)상에 내부를 진공상태로 전환하는 흡입유로(41)와, 챔버(11)상의 열기를 증폭하는 촉매제가 토출되는 주입유로(45)로 구성된다.

이러한 일실시예에 따른 건조장치(100)의 작동과 역할에 대해서는 후술하는 단계와 함께 설명하겠다.

먼저, 본 발명의 (A)단계는 도 2처럼 준비된 극판(1)을 외부와 밀폐된 챔버(11)내로 투입하는 과정이다. 즉, 타 이송부에 의해 전달된 극판(1)은 레일(21)에 안착되고, 하단의 전자석 이송유닛(25)을 따라 챔버(11)의 내부로 완전히 진입한다. 그리고 역압형 진공밸브(15)가 내려와 챔버(11)를 밀폐한다.

여기서 극판(1)은 전지의 구성에 따라 양극 또는 음극의 판들 사이에 세퍼레이터를 개재시킨 상태에서 릴 상으로 감아 구성할 수도 있고, 판상으로 형성된 양극 또는 음극의 판을 세퍼레이터가 개재된 상태로 적층하여 구성할 수도 있다.

이어서 본 발명에 따른 (B)단계는 도 3처럼 극판(1)이 투입된 챔버(11)에 진공을 형성하여 불순물을 1차 흡입하는 과정이다. 즉, 흡입유로(41)가 챔버(11)의 내부를 0.1 내지 750Torr 이하의 진공으로 감압한다.

이 과정에서 챔버(11)와 함께 극판(1)에 포함하는 수분과 기름 및 먼지 따위의 불순물이 흡입되고, 산소농도가 희박한 상태로 전환된다. 따라서 건조 시 산소에 의한 산화를 방지할 수가 있고, 불순물에 의한 불량을 최소화할 수가 있다.

이어서 본 발명에 따른 (C)단계는 도 4처럼 챔버(11)에 열확산을 가속하는 촉매제를 소정 압력으로 주입하는 과정이다. 즉, 주입유로(45)가 촉매제를 챔버(11)의 내부로 강제로 주입하여 진공(저압)상태에서 고압상태로 전환한다.

촉매제는 챔버(11)의 내부에 기류를 형성함과 함께 열확산을 가속하는 역할을 수행한다. 이러한 촉매제는 극판(1)과 반응을 야기하지 않는 불활성 가스로 질소, 아르곤, 탄산, 헬륨 중 어느 하나를 이용할 수 있다.

이때, 촉매제는 챔버(11)의 내부로 주입되는 압력이 매우 중요한데, 챔버(11)에 주입되는 촉매제의 압력이 높을수록 역할은 배가된다. 하지만, 촉매제의 압력이 너무 높으면 챔버(11)와 함께 내부에 포함되는 이송부(20)와 건조부(30)를 압력용기에 버금가는 내구성을 가져함은 물론, 극판(1)의 활물질을 변화시키는 문제가 있다.

반대로 촉매제의 압력이 너무 낮으면, 복사열과 전도열의 부족으로 건조에 소모되는 시간과 에너지가 증가될 수밖에 없다. 따라서 촉매제는 950Torr 내지 1000Torr로 주입하는 것이 바람직하다.

이어서 본 발명에 따른 (D)단계는 도 5처럼 촉매제를 설정한 온도로 가열하여 극판(1)을 건조하는 과정이다. 즉, 챔버(11)의 하단에 위치한 히터(31)가 발열하여 촉매제를 80~150℃로 90~120분간 가열한다. 가열된 촉매제는 극판(1)으로 열을 전달하여 건조시켜 준다.

이때, 촉매제를 설정한 온도와 시간으로 가열되는 동안 또는 가열 이후 극판(1)을 건조하는 과정 중 챔버(11)의 상단에 위치한 송풍팬(35)이 작동하여 소정 풍속과 경로로 순환시키는 것이 좋다.

여기서 챔버(11)의 내면에는 히터(31)와 송풍팬(35)으로 연통하는 덕트(38)가 구비됨에 따라 히터(31)에 의해 가열된 촉매제가 챔버(11)의 내면을 따라 송풍팬(35)으로 흡입되고, 흡입된 촉매제는 챔버(11)의 중앙을 지나면서 극판(1)을 가열한 다음, 히터(31)로 유입되어 재 가열되는 경로로 연속 순환하게 된다.

즉, 챔버(11)의 내부에서 히터(31)에 의한 가열 촉매제와 극판(1)을 지난 냉각 촉매제가 서로 간섭하지 않는 경로로 순환됨에 따라 열효율을 향상함은 물론, 극판(1)의 수분을 고르게 포화시켜줌에 따라 전반적인 건조속도를 단축시킬 수가 있다.

이어서 본 발명에 따른 (E)단계는 도 3처럼 챔버(11)에 진공을 형성하여 촉매제의 반출과 극판(1)의 불순물을 흡입하는 과정이다. 즉, 극판(1)의 건조가 완료된 이후에는 흡입유로(41)가 챔버(11)의 내부에 주입된 촉매제를 본래의 위치로 반출하고, 앞서 (C)단계와 같이 0.1 내지 750Torr 이하의 진공으로 감압하여 챔버(11)와 함께 극판(1)에 잔류하는 불순물을 흡입한다.

이어서 본 발명에 따른 (F)단계는 건조된 극판(1)을 챔버(11)로부터 배출하는 과정이다. 즉, 역압형 진공밸브(15)가 올라가 챔버(11)가 개방되고, 레일(21)에 안착된 극판(1)이 하단의 전자석 이송유닛(25)을 따라 외부로 배출된다. 배출된 극판(1)은 냉각 과정을 거쳐 완성된다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 살펴보고 실질적인 효과가 유효함을 알아보고자 한다.

<<제1실험>>

제1실험은 기존의 선행문헌에서 살폈듯이 불활성 가스(질소)를 단순히 내부에 공급하는 것과, 본 발명과 같이 질소를 가압한 상태에 따른 건조성능을 비교해보고자 한다.

<실험방법>

실험방법은 본 발명의 챔버(11)내에 촉매제(질소)를 400Torr(진공압)로 주입한 실시예1과, 760Torr(대기압)로 주입한 실시예2와, 1000Torr(양압)로 주입한 실시예3으로 구분한 다음, 챔버(11)의 내부온도를 150℃로 120분간 가열하여 평균 승온 온도와 온도편차를 알아보고자 한다.

<실험조건>

실험조건은 각 실시예에 사용되는 건조시료는 아래와 같이 릴 상으로 감은 R극판, M극판, F극판으로 높이가 320mm이고 두께가 300mm인 원통으로 구성하였고, 각 극판마다 4개소(내곽, 중심, 외곽, 표면)에 온도센서를 개재하여 온도를 측정하였다.

건조시료	센서위치

<측정결과>

실시예1
실시예2
실시예3

<실험결과>

측정결과를 살펴본 바, 실시예1의 평균 승온 온도는 93.8℃, 온도 편차는 28℃이고, 실시예2의 평균 승온 온도는 113.3℃, 온도 편차는 6.2℃이며, 실시예3의 평균 승온 온도는 116.2℃, 온도 편차는 3.8℃로 측정되었다. 즉, 챔버(11)내에 촉매제(질소)를 강제로 주입한 실시예3의 건조방법이 가장 우수한 것을 알 수가 있다.

<<제2실험>>

제2실험은 챔버(11)내에 강제로 주입되는 촉매제(질소)의 압력에 따른 건조성능을 알아보고자 한다.

<실험방법>

실험방법은 본 발명의 챔버(11)내에 촉매제(질소)를 800Torr로 주입한 실시예1과, 900Torr로 주입한 실시예2와, 950Torr로 주입한 실시예3으로 구분한 다음, 챔버(11)의 내부온도를 150℃로 120분간 가열하여 평균 승온 온도와 온도편차를 알아보고자 한다.

<실험조건>

실험조건은 각 실시예에 사용되는 건조시료는 앞선 실험과 마찬가지로 아래와 같이 릴 상으로 감은 극판으로 높이가 320mm이고 두께가 300mm인 3개의 원통으로 구성하였고, 극판 상에 4개소(내곽, 중심, 외곽, 표면)에 온도센서를 개재하여 온도를 측정하였다.

건조시료	센서위치

<측정결과>

실시예1
실시예2
실시예3

<실험결과> (단위 : ℃)

측정 위치	실시예1	실시예2	실시예3
내곽-1	111	115	118
외곽-2	114	117	119
중심-3	117	119	120
표면-4	124	121	122
온도 편차	13	6	4

측정결과를 살펴본 바, 실시예1의 평균 승온 온도는 116.5℃, 온도 편차는 13℃이고, 실시예2의 평균 승온 온도는 118℃, 온도 편차는 6℃이며, 실시예3의 평균 승온 온도는 119.8℃, 온도 편차는 4℃로 측정되었다. 즉, 챔버(11)내에 촉매제(질소)를 950Torr로 주입한 실시예3의 건조방법이 가장 우수한 것을 알 수가 있다.

한편, 제1실험과 제2실험에서 알 수 있듯이 챔버(11)내에 질소를 강제로 주입하되, 950 내지 1000Torr의 가압압력 범주로 주입할 때만이 비로소 최적의 건조성능을 발휘할 수가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

1: 극판 10: 본체부
11: 챔버 15: 역압형 진공밸브
20: 이송부 21: 안내레일
25: 전자석 이송유닛 30: 건조부
31: 히터 35: 송풍팬
38: 덕트 40: 촉매부
41: 흡입유로 45: 주입유로
100: 건조장치

Claims (7)

1. 적어도 하나 이상의 극판이 내·외부로 출입 가능한 터널형의 챔버와, 상기 챔버의 내·외부를 개폐하는 역압형 진공밸브로 구성된 본체부; 상기 챔버 상에 극판의 출입을 안내하는 레일과, 상기 극판과 자력으로 연결되어 비접촉으로 출입시키는 전자석 이송유닛으로 구성된 이송부; 상기 챔버 상에 기류를 소정 온도로 가열하는 히터와, 상기 챔버의 기류를 소정 풍속과 풍양으로 순환시키는 송풍팬과, 상기 히터와 송풍팬으로 연통하는 덕트로 구성된 건조부; 및 상기 챔버 상에 내부를 진공상태로 전환하는 흡입유로와, 상기 챔버 상의 열기를 증폭하는 촉매제가 토출되는 주입유로로 구성된 촉매부로 이루어진 건조장치를 이용하여 이차 전지용 극판을 건조하는 방법에 있어서:
   (A) 상기 극판을 외부와 밀폐된 챔버내로 투입하는 단계;
   (B) 상기 챔버에 0.1 내지 750Torr 이하의 진공을 형성하여 산소를 흡입하는 단계;
   (C) 상기 챔버에 열확산을 가속하는 질소, 아르곤, 탄산, 헬륨 중 택일되는 불활성 가스인 촉매제를 950Torr 내지 1000Torr의 가압압력으로 주입하는 단계;
   (D) 상기 챔버 내의 히터에 의해 80~150℃로 90~120분간 가열되는 촉매제는 챔버의 내면을 따라 송풍팬으로 흡입되고, 흡입된 촉매제는 챔버의 중앙을 지나면서 극판을 가열한 다음, 히터로 유입되어 재 가열되는 경로로 가압 순환시켜 극판을 건조하는 단계;
   (E) 상기 챔버에 0.1 내지 750Torr 이하의 진공을 형성하여 촉매제를 반출하는 단계;
   (F) 상기 극판을 챔버로부터 배출하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 극판의 건조방법.
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