KR101911490B1 - 이차전지 양극재 제조장치 및 이차전지 양극재 제조방법 - Google Patents

이차전지 양극재 제조장치 및 이차전지 양극재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극재 제조장치는, 양극재 원료와 용매를 혼합하는 믹서, 상기 믹서로부터 나온 상기 양극재 원료와 상기 용매로부터 상기 용매를 분리하는 필터부 및 상기 필터부로부터 나온 상기 양극재 원료를 건조시키는 건조부를 포함할 수 있다.

Description

이차전지 양극재 제조장치 및 이차전지 양극재 제조방법{DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING CATHODE MATERIALS IN SECONDARY BATTERY}
본 기재는 이차전지 양극재 제조 장치 및 이차전지 양극재 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 휴대용의 소형 전기 전자기기의 보급이 확산됨에 따라 니켈수소전지나 리튬이차전지와 같은 신형의 이차전지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이 중 리튬 이차전지는 흑연 등의 카본을 음극활물질로 사용하고, 리튬이 포함되어 있는 산화물을 양극재로 사용하며, 비수용매를 전해액으로 사용하는 전지이다. 리튬이 이온화 경향이 큰 금속이기 때문에, 고전압 발현이 가능하여 에너지 밀도가 높은 전지로 개발되고 있다.
리튬 이차전지에 사용되는 양극재로는 리튬을 함유하는 리튬전이금속 산화물이 주로 사용되고 있으며, 코발트계, 니켈계 및 코발트, 니켈, 망간이 공존하는 삼성분계 등의 층상계 리튬전이금속 산화물이 주류를 이루고 있다.
리튬 코발트 복합 산화물의 원료가 되는 코발트원은 희소하여 고가이고, 양극으로서 리튬 코발트 복합 산화물을 사용하는 리튬 이온 2 차 전지는 충전 상태에서는 매우 불안정해져 발화할 우려가 있어, 안전성이 낮은 문제가 있다.
그래서, 저렴하고, 천연에 풍부하게 존재하는 망간 등의 원소를 사용하고, 또한 충전 상태에 있어서도 안정적이고, 안전성이 높은 리튬-니켈-코발트-망간 (Li-Ni-Co-Mn) 함유 복합 산화물이 양극재로서 주목받고 있다.
상기 양극재를 제조하는 공정 중 Mixing 공정에는 Bead Mill을 이용하여 원료를 분쇄하고, Spray Dry를 이용하여, 원하는 전구체를 제조하는 단계가 포함된다. 그러나, Bead Mill과 Spray Dry를 이용하는 경우에, 상당량의 폐수가 발생하고, 고 에너지 비용으로 최종 리튬망간 산화물의 단가는 높아지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로, 물을 사용하지 않는 건식공정을 이용 할 수 있다.
건식공정은 Mixing 단계에서 물을 이용하지 않고, 원재료를 Mixer기에 넣고 단순 혼합하는 방식으로 폐수발생이 없고, 저 에너지 비용으로 원가를 절감 할 수 있는 장점이 있다. 이러한 건식공정에 사용되는 Mixer는 다양한 종류가 있지만 일반적으로 사용되는 Mixer는 Blade의 회전력에 의한 Single type mixer 이다.
하지만 장시간 운전시 Mixer Container 및 혼합물질의 발열 현상으로 인해, Container 내부에 혼합물질의 부착현상이 발생하는 문제점이 있다. 이로 인해 Container 내부의 혼합물질의 혼합도가 떨어지게 되고 장시간 운전함으로써 제조비용이 상승하는 문제점이 있다. 또한 건식 혼합시 폐수비용이 절감되는 장점이 있지만 원료의 혼합 효율이 떨어지고 이는 최종 양극재의 성능에 직접적인 영향을 미친다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 믹서 내에서 혼합되는 양극재 원료가 믹서 내의 용기 내측 벽면에 부착되는 것을 방지할 수 있는 이차전지 양극재 제조장치 및 이차전지 양극재 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극재 제조장치는, 양극재 원료와 용매를 혼합하는 믹서, 상기 믹서로부터 나온 상기 양극재 원료와 상기 용매로부터 상기 용매를 분리하는 필터부 및 상기 필터부로부터 나온 상기 양극재 원료를 건조시키는 건조부를 포함할 수 있다.
상기 믹서는, 용기 및 상기 용기 내에 위치하여 상기 양극재 원료를 혼합시키는 블레이드를 포함할 수 있다.
상기 믹서와 상기 필터부 사이에 위치하여, 상기 양극재 원료와 상기 용매를 상기 믹서로부터 상기 필터부로 이동시키는 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 필터부는 필터 프레스로 이루어질 수 있다.
상기 건조부는 열 건조기(Heat Dryer)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극재 제조방법은, 양극재 원료와 용매를 믹서에 투입하는 단계, 상기 믹서에서 상기 양극재 원료와 상기 용매를 혼합하는 단계, 상기 양극재 원료와 상기 용매를 필터부로 이동시키는 단계, 상기 필터부에서 혼합된 상기 양극재 원료와 상기 용매로부터 상기 용매를 분리하는 단계, 상기 양극재 원료를 건조부로 이동시키는 단계 및 상기 건조부에서 상기 양극재 원료를 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 혼합하는 단계에서는, 블레이드를 이용하여 상기 양극재 원료와 용매를 혼합할 수 있다.
상기 양극재 원료와 상기 용매를 상기 필터부로 이동시키는 단계는, 펌프를 이용하여 상기 양극재 원료와 상기 용매를 이동시킬 수 있다.
상기 건조 단계는, 열을 이용하여 상기 양극재 원료를 건조시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 이차전지 양극재 제조장치 및 제조방법은, 혼합되는 양극재 원료가 믹서 내의 용기 내측 벽면에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이차전지 양극재의 입자를 더욱 조밀하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극재 제조장치의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조장치에 의해 제조된 이차전지 양극재의 효과를 나타낸 그래프이다.
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.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 다른 이차전지 양극재 제조장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극재 제조장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극재 제조장치는, 믹서(100), 필터부(200) 및 건조부(300)를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 믹서(100)는 이차전지 양극재의 원재료를 혼합하는 것으로, 용기(140) 및 블레이드(130)로 이루어질 수 있다.
이때, 용기(140)는 혼합될 양극재 원료(110)를 담기는 용기로, 양극재 원료는 파우더 형태의 니켈, 코발트 및 망간 화합물이 포함될 수 있다. 상기 리튬의 원료로는 탄산리튬, 수산화리튬, 초산리튬, 황산리튬, 아황산리튬, 초산리튬, 불화리튬, 염화리튬, 브롬화리튬, 옥화리튬 중에 적어도 하나를 포함하며, 망간 원료는 망간금속, 산화망간(MnO, Mn2O3, Mn3O4, MnO2 등), 옥살산망간, 아세트산망간, 질산염망간 중에 적어도 하나를 포함하며, 니켈 원료로는 황산니켈이 사용될 수 있으며, 코발트 원료로는 황산코발트가 사용될 수 있는데, 리튬 이차전지의 양극재 원료를 이에 한정하는 것은 아니다.
본 실시예에 따르면, 용기(140) 내에는 양극재 원료(110)과 함께 용매가 투입될 수 있다. 이때, 용매는 물 또는 에탄올일 수 있다.
양극재 원료(110)가 서로 혼합되는 과정에서, 양극재 원료(110)는 용기(140)의 내측 벽면에 부착될 수 있다. 장시간 동안 블레이드(130)가 작동되거나, 양극재 원료(110)가 혼합되는 과정에서 발열 현상으로 인해 용기(140) 내부의 온도가 상승된다. 이에 의해, 양극재 원료(110)의 일부가 용기(140) 내측 벽면에 부착되는 문제가 발생할 수 있다.
양극재 원료(110)가 용기(140) 내측 벽면에 부착되면, 용기(140) 내에서의 양극재 원료(110)의 혼합도가 떨어지게 된다. 또한, 혼합도를 증가시키기 위해 장시간 믹서(100)를 가동시켜야 하기 때문에, 제조 비용이 상승될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 믹서(100)의 용기(140)에 양극재 원료(110)과 함께 용매가 투입됨으로써, 혼합된 양극재 원료(110)가 용기(140) 내측 벽면에 부착되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 양극재 원료(110)의 혼합도도 증가될 수 있다.
이때, 용기(140) 내에 투입되는 용매는 양극재 원료(110)의 무게의 5 ∼ 20％일 수 있다.
한편, 양극재 원료(110)를 혼합시키는 블레이드(130)는 구동수단(150)에 의해 구동될 수 있다. 이때, 구동수단(150)은 전기 모터로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 믹서(100) 내에서 양극재 원료(110)를 혼합하는 과정이 완료되면, 양극재 원료(110)와 용매는 필터부(200)로 이동된다. 이때, 양극재 원료(110)와 용매는 펌프(P)에 의해 믹서(100)로부터 필터부(200)로 이동될 수 있다.
필터부(200)는 서로 섞여있는 양극재 원료(110)와 용매로부터 용매를 분리할 수 있다. 이때, 필터부(200)는 필터 프레스(filter press)일 수 있다. 필터 프레스는 밀폐된 고액 분리 탱크인 여과실 내로 분리 대상액을 압입시켜 여과재를 통해 고체(양극재 원료)와 액체(용매)를 서로 분리시킬 수 있다.
한편, 필터부(200) 내에서 양극재 원료가 건조될 수 있다. 이때, 필터부(200)에서는 에어 블로잉(air blowing) 방식에 의해 양극재 원료를 건조시킬 수 있다. 필터부(200)는 10 ∼ 20 L/min 비율로 에어를 분사하여 양극재 원료를 건조시킨다. 한편, 필터부(200)는 500g당 10 ∼ 15분 정도 에어를 분사한다.
그리고, 필터부(200)에서 분리된 양극재 원료는 건조부(300)로 이동된다. 건조부(300)는 용매가 분리된 양극재 원료를 건조시킬 수 있다.
이때, 건조부(300)는 열 건조기(Heat Dryer)일 수 있다. 건조부(300)에서는, 필터부(200)에서 에어 블로잉에 의해 건조된 양극재 원료가 추가적으로 건조되는 과정을 수행하게 된다. 상기 건조부(300)에 의해 건조된 양극재 원료의 입자는 더욱 조밀하게 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조장치에 의해 제조된 이차전지 양극재의 효과를 나타낸 그래프이다.
도 2을 참조하면, 본 실시예에 따른 제조 장치에 의해 제조된 이차전지 양극재가 기존 건식 방식에 의해 제조된 이차전지 양극재에 비해 전압이 높다. 예를 들어, 일정한 용량(mAh/g)의 이차전지에 대해 본 실시예의 전압이 높게 나타난다. 구체적으로, 60 mAh/g 이차전지를 기준으로, 본 실시예의 이차전지의 전압이 기존 건식 방식의 이차전지의 전압보다 높게 나타난다. 또한, 일정한 전압의 이차전지에 대해, 본 실시예의 용량(mAh/g)이 기존 건식 방식의 이차전지의 용량보다 높게 나타난다. 한편, 도 3을 참조하면, 본 실시예의 이차전지의 C-rate의 특성이 기존 건식 방식의 이차전지의 C-rate의 특성보다 높게 나타난다.
하기에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 양극재 제조방법에 대해 설명하기로 한다. 본 실시예의 이차전지의 양극재 제조방법을 설명함에 있어, 전술한 이차전지의 양극재 제조장치와 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 믹서(100)의 용기(140) 내에 양극재 원료(110)와 용매를 투입한다. 용기(140) 내에 투입되는 양극재 원료(110)는 파우더 형태의 니켈, 코발트 및 망간 화합물이 포함될 수 있다. 상기 리튬의 원료로는 탄산리튬, 수산화리튬, 초산리튬, 황산리튬, 아황산리튬, 초산리튬, 불화리튬, 염화리튬, 브롬화리튬, 옥화리튬 중에 적어도 하나를 포함하며, 망간 원료는 망간금속, 산화망간(MnO, Mn2O3, Mn3O4, MnO2 등), 옥살산망간, 아세트산망간, 질산염망간 중에 적어도 하나를 포함하며, 니켈 원료로는 황산니켈이 사용될 수 있으며, 코발트 원료로는 황산코발트가 사용될 수 있는데, 리튬 이차전지의 양극재 원료를 이에 한정하는 것은 아니다. 한편, 용기(140) 내에 투입되는 용매는 물 또는 에탄올일 수 있다.
다음으로, 믹서(100)의 용기(140) 내에 투입된 양극재 원료(110)와 용매를 블레이드(130)을 이용하여 혼합한다. 이때, 블레이드(130)는 구동수단(150)에 의해 회전될 수 있다. 예를 들어, 구동수단(150)은 전기 모터일 수 있다.
믹서(100) 내에서 양극재 원료(110)를 혼합하는 과정이 완료되면, 양극재 원료(110)와 용매를 필터부(200)로 이동시킨다. 이때, 양극재 원료(110)와 용매는 펌프(P)에 의해 믹서(100)로부터 필터부(200)로 이동된다.
상기 필터부(200)에서는 서로 섞여있는 양극재 원료(110)와 용매로부터 용매를 분리할 수 있다. 이때, 필터부(200)는 필터 프레스일 수 있다. 필터 프레스는 밀폐된 고액 분리 탱크인 여과실 내로 분리 대상액을 압입시켜 여과재를 통해 고체(양극재 원료)와 액체(용매)를 서로 분리시킬 수 있다.
한편, 필터부(200) 내에서 양극재 원료가 건조될 수 있다. 이때, 필터부(200)에서는 에어 블로잉(air blowing) 방식에 의해 양극재 원료를 건조시킬 수 있다.
다음으로, 필터부(200)에서 분리된 양극재 원료를 건조부(300)로 이동시킨다. 건조부(300)는 용매가 분리된 양극재 원료를 건조시킨다. 이때, 건조부(300)는 열 건조기(Heat Dryer)일 수 있다. 건조부(300)에서는, 필터부(200)에서 에어 블로잉에 의해 건조된 양극재 원료가 추가적으로 건조되는 과정을 수행하게 된다. 상기 건조부(300)에 의해 건조된 양극재 원료의 입자는 더욱 조밀하게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 양극재 제조장치 및 이의 제조방법은, 믹서(100)의 용기(140) 내에 양극재 원료(110)와 용매를 함께 투입하여 혼합시켜 양극재 원료(110)가 용기(140) 내측 벽면에 부착되는 현상을 방지할 수 있다. 한편, 필터부(200)에서 용매를 제거하고, 건조부(300)에서 양극재 원료(110)를 건조시킴으로써, 양극재 원료의 입자를 더욱 조밀하게 형성할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 믹서
110 양극재 원료
130 블레이드
140 용기
200 필터부
300 건조부

Claims (9)

  1. 파우더 형태의 고상의 양극재 원료를 상기 양극재 원료의 혼합도를 높이기 위해 제공되는 용매와 함께 혼합하는 믹서;
    상기 믹서로부터 배출되는 고상의 혼합된 양극재 원료와 상기 액상의 용매를 분리하는 필터부; 및
    상기 필터부로부터 배출되는 혼합된 고상의 양극재 원료를 건조시키는 건조부를 포함하고,
    상기 용매는 양극재 원료의 무게의 5 ∼ 20％이고,
    상기 필터부 내에서 에어 블로잉 방식에 의하여 상기 양극재 원료를 건조시키는 것인, 이차전지 양극재 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 믹서는,
    용기 및 상기 용기 내에 위치하여 상기 양극재 원료를 혼합시키는 블레이드를 포함하는, 이차전지 양극재 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 믹서와 상기 필터부 사이에 위치하여, 상기 양극재 원료와 상기 용매를 상기 믹서로부터 상기 필터부로 이동시키는 펌프를 더 포함하는, 이차전지 양극재 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부는 필터 프레스로 이루어진, 이차전지 양극재 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조부는 열 건조기(Heat Dryer)인, 이차전지 양극재 제조장치.
  6. 파우더 형태의 고상의 양극재 원료를 상기 양극재 원료의 혼합도를 높이기 위해 제공되는 용매와 함께 믹서에 투입하는 단계;
    상기 믹서에서 고상의 양극재 원료를 용매와 함께 혼합하는 단계;
    상기 믹서로부터 배출되는 혼합된 고상의 양극재 원료와 용매를 필터부로 이동시키는 단계;
    상기 필터부에서, 혼합된 고상의 양극재 원료와 액상의 용매를 분리하는 단계;
    상기 혼합된 고상의 양극재 원료를 건조부로 이동시키는 단계; 및
    상기 건조부에서 상기 혼합된 고상의 양극재 원료를 건조시키는 단계
    를 포함하고,
    파우더 형태의 고상의 양극재 원료를 상기 양극재 원료의 혼합도를 높이기 위해 제공되는 용매와 함께 믹서에 투입하는 단계;에서,
    상기 용매는 양극재 원료의 무게의 5 ∼ 20％이고,
    상기 필터부에서, 혼합된 고상의 양극재 원료와 액상의 용매를 분리하는 단계;에서,
    상기 필터부 내에서 에어 블로잉 방식에 의하여 상기 양극재 원료를 건조시키는 것인, 이차전지 양극재 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 혼합하는 단계에서는,
    블레이드를 이용하여 상기 양극재 원료와 용매를 혼합하는, 이차전지 양극재 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 양극재 원료와 상기 용매를 상기 필터부로 이동시키는 단계는, 펌프를 이용하여 상기 양극재 원료와 상기 용매를 이동시키는, 이차전지 양극재 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 건조 단계는, 열을 이용하여 상기 양극재 원료를 건조시키는, 이차전지 양극재 제조방법.


KR1020150186301A 2015-12-24 2015-12-24 이차전지 양극재 제조장치 및 이차전지 양극재 제조방법 KR101911490B1 (ko)

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