KR102069461B1

KR102069461B1 - 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치 및 건조방법

Info

Publication number: KR102069461B1
Application number: KR1020190014378A
Authority: KR
Inventors: 손세웅; 손세준
Original assignee: 하임테크(주)
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2020-02-11

Abstract

본 발명은 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치 및 건조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치는 일측으로 2차전지의 제조에 사용되는 원료금속분말이 투입되며, 상부가 반구형인 돔 구조로 이루어지는 건조로; 건조로의 둘레에서 건조로와 격리된 채로 건조로를 가열시키는 가열실; 건조로의 상부와 연결되며, 건조로 내에 원료금속분말을 투입하는 원료투입부; 건조로 내에 설치되며, 건조로 내에 투입되는 원료금속분말을 교반하는 교반부; 및 건조장치의 상부에 설치되며, 교반부에 제1 속도를 제공하는 제1 모터 및 상기 제1 속도보다 큰 제2 속도를 제공하는 제2 모터가 구비되는 구동부;를 포함하여 구성된다.

Description

2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치 및 건조방법{Metal powders drying device for cell battery manufacturing and drying method Thereof}

본 발명은 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치 및 건조방법에 관한 것이다.

충전이 가능한 2차전지는 스마트폰, 노트북, 태블릿, MP3 플레이어 등 각종 휴대기기에 널리 사용되고 있다. 또한, 전기자동차, 전기 자전거 등과 같은 이동수단에서도 2차전지는 중요한 동력원으로 사용되고 있다.

이러한 2차전지를 생산하기 위해서는 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄 등의 금속분말이 필요하다. 특히, 2차전지의 충전, 방전 및 수명 등의 전기적 품질을 좌우하는 것은 원료금속분말의 순도이며, 수분이나 불순물 등이 많을수록 품질이 저하되는 것으로 알려져 있다.

따라서, 2차전지의 생산 시설에서는 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄 등의 금속분말에 수분, 기타 불순물 등이 혼입되는 것을 최대로 방지하기 위해 철저한 품질관리를 하고 있다.

특히, 원료금속분말을 만들거나 이송하는 과정중 공기와 접촉하여 어쩔 수 없이 포함되는 소량의 수분(약 4~12 중량%)은 2차전지를 제조하는 메인 공정의 전처리 공정에서 반드시 제거해야 하는 것이다.

수분을 제거하기 위한 건조과정에서 원료금속분말과 건조장치와의 기계적 접촉 및 건조장치내에서 기계와 기계 사이의 물리적 접촉을 최대로 회피하여야 한다. 이러한 기계적 접촉이나 물리적 접촉을 통해 순도 높은 금속분말에 타금속입자가 섞여 들어갈 수 있기 때문이다.

따라서, 원료금속분말에 포함된 소량의 수분을 제거하면서 기계적 접촉 및 물리적 접촉을 최대한 회피하여 고품질의 2차전지를 제조할 수 있는 전처리 장치의 연구개발이 요구된다.

일본 등록특허 제5466974호 대한민국 등록특허 제10-1964279호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 2차전지를 제조하기 위한 원료금속분말에 불순물이 혼입되는 것을 최대로 억제하면서 원료금속분말 내의 수분을 제거할 수 있는 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치 및 건조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명은 원료금속분말이 투입되며 스팀에 의해 가열되어 온도가 상승되는 건조로에 진공압을 형성시켜 건조로의 온도를 더 상승시킴으로써, 낮은 온도의 스팀으로도 원료금속분말 내의 수분을 제거할 수 있는 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치 및 건조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

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

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치는 일측으로 2차전지의 제조에 사용되는 원료금속분말이 투입되며, 상부가 반구형인 돔 구조로 이루어지는 건조로; 건조로의 둘레에서 건조로와 격리된 채로 건조로를 가열시키는 가열실; 건조로의 상부와 연결되며, 건조로 내에 원료금속분말을 투입하는 원료투입부; 건조로 내에 설치되며, 건조로 내에 투입되는 원료금속분말을 교반하는 교반부; 및 건조장치의 상부에 설치되며, 교반부에 제1 속도를 제공하는 제1 모터 및 상기 제1 속도보다 큰 제2 속도를 제공하는 제2 모터가 구비되는 구동부;를 포함하여 구성된다.

그리고 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치는 건조로의 타측과 연결되며, 건조로에 진공압을 형성시켜 부압상태가 되도록 하는 진공펌프;를 더 포함하여 구성된다.

일 실시예에서, 진공펌프는 건조로에 진공압을 형성시켜 건조로 내의 스팀이 배출되도록 하며, 진공압을 통해 가열실의 스팀에 의해 온도가 상승된 건조로의 온도를 더 상승시킨다.

일 실시예에서, 가열실은 건조로의 가열을 위해 공급되는 스팀을 배출하기 위한 스팀 배출구가 하면에 하나 이상 형성된다.

한편, 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치는 가열실의 일측과 연결되며, 가열실 내에 스팀을 공급하는 스팀부;를 더 포함하여 구성된다.

일 실시예에서, 제1 속도는 0.5 ~ 1 RPM이고, 제2 속도는 2 ~ 10 RPM이다.

일 실시예에서, 구동부는 제1, 2 모터와 축결합되며, 제1 속도가 생성될 때 작동되어 제1 속도가 제2 모터에 전달되는 것을 차단하는 클러치; 및 일측이 클러치, 타측이 교반부와 축결합되어 제1 속도 또는 제2 속도를 교반부에 전달하는 구동축;을 포함하여 구성된다.

한편, 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치는 건조로의 타측에 구비되어, 건조로 내에서 건조 및 교반이 완료된 혼합금속분말을 배출하는 배출부; 및 배출장치에 의해 배출되는 혼합금속분말을 이송하기 위한 바이브레이터 이송부;를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 방법으로서, 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조방법은 원료투입부가 건조로의 일측으로 2차전지의 제조에 사용되는 원료금속분말을 투입하는 제1 단계; 교반부가 구동부에서 제공되는 제1 속도를 기반으로 회전하여 원료금속분말을 교반하고, 교반 과정 동안에 원료금속분말이 가열실에 공급되는 스팀에 의해 건조되는 제2 단계; 및 교반부가 구동부에서 제공되는 제1 속도보다 큰 제2 속도를 기반으로 회전하여 제2 단계에서 건조 및 교반이 완료된 혼합금속분말을 건조로로부터 배출시키는 제3 단계;를 포함한다.

일 실시예에서, 제2 단계는 건조로가 가열실에 공급되는 스팀의 열전달에 의해 가열 및 건조되는 제2-1 단계; 진공펌프가 건조로에 진공압을 형성시키는 제2-2 단계; 교반부가 제1 속도로 회전하면서 원료금속분말을 교반하는 제2-3 단계; 및 진공펌프의 작동이 중지되어 건조로에 공기의 흐름이 발생되는 제2-4 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 2차전지를 만들기 위한 원료금속분말에 불순물이 혼입되는 것을 최대한 억제하면서 원료금속분말 내의 수분을 매우 낮은 농도까지 제거할 수 있다. 이로 인해, 고품질의 2차전지를 생산할 수 있다.

그리고 원료금속분말을 건조하는 과정에서 진공압을 이용하여 스팀에 의해 가열된 건조로의 온도를 더 상승시킴으로써, 낮은 온도의 스팀으로도 원료금속분말 내의 수분을 제거가 가능할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치의 전체적인 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 건조로와 그 주변의 구성을 확대하여 나타내는 확대단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 건조로와 그 주변 구성의 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 구동부의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부가 제어하는 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조방법의 단계흐름도이다.
도 7은 도 6에 도시된 원료금속분말 교반 및 건조 단계의 세부 단계흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

건조장치

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치(이하에서는 "건조장치"이라 한다.)를 자세히 설명하도록 하겠다.

본 발명의 일 실시예에 따른 건조장치는 건조로(110)을 중심으로 원료투입부(100), 가열실(120), 스팀부(130), 교반부(140), 구동부(150), 진공펌프(160), 배출부(170), 이송부(180), 백필터(190)를 포함하여 구성된다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 건조장치는 추가적으로 필요한 구성이 구비될 수도 있다..

원료투입부(100)는 건조로(110)의 일측에 설치되며, 제어부(10)의 제어명령에 따라 일정량의 2차전지 제조를 위한 원료금속분말(105)을 건조로(110)에 투입한다. 이러한 원료투입장치(100)는 스크류 피더, 로터리 피더, 바이브레이터 피더 등으로 실시될 수 있다.

건조로(110)는 원료투입부(100)로부터 원료금속분말(105)이 건조로 하부(113)에 투입되고, 건조로 상부(111)에는 원료투입부(100), 구동부(150) 및 백필터(190)가 설치된다. 이때, 건조로 상부(111)와 건조로 하부(113)는 결합부(115)를 통해 결합되며, 건조로(110)는 상기 결합을 통해 밀폐 구조를 가지게 된다. 그리고 건조로(110)는 진공펌프(160)로부터 가해지는 진공압에 의해 부압상태가 된다. 이때, 건조로(110)에 가해지는 진공압은 건조로(110)의 외형 변형을 야기한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 건조로(110)는 건조로 상부(111)가 반구형인 돔 구조로 이루어진다. 이와 같은, 건조로 상부(111)의 돔 구조는 진공압에 의한 변형을 방지할 뿐 아니라, 상부에 설치된 원료투입부(100), 구동부(150) 및 백필터(190)의 하중을 지지하는 구조이기도 하다.

가열실(120)은 건조로(110)의 건조로 하부(113)의 외부 둘레에 건조로 하부(113)와 격리된 채 접하게 설치되고, 스팀부(130)로부터 투입되는 스팀을 통해 건조로(110)를 가열시킨다. 이러한 가열실(120)은 건조로 하부(113)와 격리된 채 접하게 설치됨으로써, 가열실(120) 내의 스팀은 열전달을 통해 건조로(110)를 가열하는 것이며, 스팀이 직접 원료금속분말(105)에 닿는 것은 아니다. 그리고 가열실(120)은 스팀 유입구(121), 베플(123) 및 스팀 배출구(125)가 구비된다.

스팀 유입구(121)는 가열실(120)의 일측에 하나 이상 구비되며, 스팀부(130)와 연결되어 가열실(120) 내에 스팀이 투입되도록 하며, 관 형태로 마련되어 가열실(120) 및 스팀부(130)와 연결될 수 있다.

베플(123)은 가열실(120) 내에 경사각을 가진 상태로 하나 이상 구비되며, 가열실(120)의 일측으로부터 투입된 스팀이 가열실(120)의 타측까지 확산되도록 유도한다. 즉, 베플(123)의 경사각은 스팀의 확산을 유도할 수 있는 각도로 이해되는 것이 바람직할 것이다.

스팀 배출구(125)는 가열실(120) 내의 스팀을 가열실(120)로부터 배출하기 위해 가열실(120)의 하면에 하나 이상 구비된다. 이러한 스팀 배출구(125)는 배관과 밸브로 구성될 수 있고, 이러한 배관과 밸브는 제어부(10)의 제어명령에 따라 동작된다.

스팀부(130)는 스팀 유입구(121)를 통해 가열실(120)과 연결되어 가열실(120)에 스팀을 공급한다. 이러한 스팀부(130)는 스팀을 발생시키는 장치로 한정되는 것은 아니며, 열매체 보일러(미도시)에서 사용되는 열매체(미도시)로부터 발생되는 스팀을 가열실(120)로 전달하는 장치로 대체될 수 있다.

교반부(140)는 건조로(110)의 상부 중심에 설치되며, 구동부(150)과 축결합되어 구동부(150)에 의해 회전되면서 원료금속분말(105)을 교반한다. 이를 위해, 교반부(140)는 교반축(141) 및 교반익(143)을 포함하여 구성된다.

교반축(141)은 건조로(110) 중심에서 수직으로 설치되며, 하단에 교반축(143)이 설치되고, 상단은 구동장치(150)의 구동축과 결합되어 구동장치(150)로부터 전달받는 속도를 기반으로 회전하게 된다.

교반익(143)은 교반축(141)의 하단에 설치되되, 건조로 하부(113)의 내부 바닥과 살짝 이격된 채로 설치된다. 이러한 교반익(143)은 교반축(141)의 회전을 통해 건조로(110) 내에 투입되는 원료금속분말(60)을 골고루 혼합시킨다. 또한, 교반익(143)은 회전하면서 원료금속분말(60)을 외주연으로 밀어내는 경사각을 가지게 된다. 이는, 교반이 완료된 혼합금속분말(185)의 배출을 용이하게 하기 위함이다.

구동부(150)는 원료금속분말(105)의 건조 및 배출하기 위한 교반부(140)에 속도를 제공하기 위해 제1 모터(151), 제2 모터(152), 클러치(153) 및 구동축(154)이 구비된다.

제1 모터(151)는 원료금속분말(105)을 건조시킬 때의 속도인 제1 속도를 생성한다. 여기서, 제1 속도는 0.5 ~ 1 RPM이고, 원료금속분말(105)을 교반시키면서 원료금속분말(105)에 포함된 수분을 건조시킬 때 사용된다.

제2 모터(152)는 원료금속분말(105)을 배출시킬 때의 속도인 제2 속도를 생성한다. 여기서, 제2 속도는 상기 제1 속도보다 큰 2 ~ 10 RPM이고, 원료금속분말(105)을 건조로 하부(113)의 외주연으로 밀어내어 외부로 배출시킬 때 사용된다.

클러치(153)는 제1, 2 모터(151, 152) 및 구동축(154)과 축결합되며, 제1, 2 속도가 구동축(154)에 전달되도록 하거나 전달되는 것을 차단하는 장치이다. 본 발명의 일 실시예에서 클러치(153)는 에어 클러치로서 공압 작동식 또는 유압 작동식으로 구비되며, 제1 속도가 생성될 때 작동되어 제1 속도가 제2 모터(152)에 전달되는 것을 차단한다. 한편, 클러치(153)가 구비되는 것은 제1 모터(151)와 구동축(154)의 사이에 구비되는 제2 모터(152)에 제1 속도의 영향이 가해지는 것을 차단하기 위함이다.

구동축(154)은 일측이 클러치(153), 타측이 교반축(141)과 축결합되어 제1 속도 또는 제2 속도를 교반축(141)에 전달한다. 이러한 구동축(440)은 구조 상 수평으로 설치되어 클러치(153)와 축결합되는 수평 구동축과 수직으로 설치되어 교반축(141)과 축결합되는 수직 구동축으로 구비될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부(150)는 베어링(155), 오일씰(156), 에어퍼지용 관(157), 지지부재(158), 감속기(159)가 더 구비된다.

베어링(155)은 구동축(154)의 외측을 감싸게 되어 제1 속도 또는 제2 속도 에 의해 회전되는 구동축(154)을 충격으로부터 지지한다.

오일씰(156)은 구동축(154)과 인접하게 하우징 내에 설치되며, 구동축(154)의 원활한 회전을 위해 투입되는 오일의 누유를 방지한다.

에어퍼지용 관(157)은 구동축(154)이 내부를 관통하는 하우징 내에 잔존하는 공기 및 수분을 제거하기 위해 하우징 내에 설치된다.

지지부재(158)는 제1, 2 모터(151, 152)의 하부에 설치되어 제1, 2 모터(151, 152)의 하중을 지지한다.

감속기(159)는 제1 모터(151)에서 발생되는 속도를 제1 속도로 감속시키며, 제2 모터(152)에서 발생되는 속도를 제2 속도로 감속시킨다. 여기서, 감속이라 함은 변속과 동일 의미로 이해되는 것이 바람직할 것이다. 또한, 감속기(159)는 도면에는 미도시되었으나, 제1 모터(151) 뿐만 아니라 제2 모터(152)에도 구비되는 것이 바람직할 것이다.

진공펌프(160)는 건조로(110)에 진공압을 형성시켜 건조로(110)가 부압상태가 되도록 한다. 이러한 진공압에 의해 건조로(110)는 가열실(120)의 스팀에 의해 온도가 상승된 후에 온도가 더 상승되어 혼합금속분말(185)을 가열실(120)의 스팀으로만 건조할 때보다 빠른 시간 내에 건조하게 된다. 그리고 건조로(110) 내의 공기와 수분은 건조로(110) 내에서 스팀(195)으로 수증기화되면서 진공압에 의해 백필터(190)로 배출된다. 한편, 진공펌프(1100)는 제어부(10)의 제어명령에 따라 동작된다.

배출부(170)는 건조로(110)의 측면 하부에 구비되고, 건조가 완료된 혼합금속분말(105)을 외부로 배출하기 위한 배출기(171) 및 배출관(172)이 구비된다.

배출기(171)는 건조로(110)의 측면 하부로부터 배출되는 혼합금속분말(185)을 배출관(172)으로 배출한다. 이러한 배출기(171)는 건조로(110)의 측면 하부에 수평으로 설치되는 실린더와 피스톤을 포함하고, 피스톤의 왕복 운동에 따라 건조로(110)의 측면 하부를 개방 또는 폐쇄한다. 그리고 개방 시 교반익(143)에 의해 외주연으로 밀려나는 혼합금속분말(185)이 배출관(172)으로 낙하되는 구조이다. 더 나아가, 배출기(171)는 제어부(10)의 제어명령에 따라 동작된다.

배출관(172)은 배출기(171)와 연결되어 건조로(110)로부터 배출기(171)로 낙하되는 혼합금속분말(185)을 이송장치(180)로 배출한다.

이송부(180)는 배출관(171)과 연결되어 배출되는 혼합금속분말(185)을 다음 공정으로 이송시키는 장치이다. 스크류 피더를 사용하는 경우 금속 스크류와 금속분말 사이의 마찰에 의해 불순물이 혼입될 가능성이 높으므로 금속 접촉을 최대한 피할 수 있는 바이브레이터 피터(진동 피더)가 바람직하다. 이러한 이송부(180)는 시간당 3톤의 용량으로 이송을 하게 된다.

백필터(190)는 건조로 상부(111)에 수직으로 설치된다. 이러한 백필터(190)는 건조로(110)에서 발생되는 고온의 공기와 수분이 포함된 스팀(195)을 외부로 배출하되, 스팀(195) 속에 혼합된 미세한 금속입자(원료금속분말)는 건조로(110)로 낙하시켜 건조로(110)에 되돌려 보내는 구성이다. 이와 같은, 백필터(190)의 상세 내부 구성은 공지의 것이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 건조장치는 지지부재(200), 절연커버(300), 센서(400)를 더 포함하여 구성된다.

지지부재(200)는 절연커버(300)의 하부에 설치되어 건조로(110)를 포함하는 건조장치를 지지하는 베이스 프레임(201) 및 절연커버(300)의 내부에 설치되어 건조장치의 지지를 보강하는 보강재(203)가 하나 이상 구비된다. 여기서, 베이스 프레임(201)은 'H'형 빔으로 마련되며, 보강재(203)는 'ㄷ'형 빔으로 절연커버(150)에 용접될 수 있다.

절연커버(300)는 내부에 보강재(203)가 설치되며, 건조로(110)와 가열실(120)의 외측 둘레에 설치되어 건조로(110)와 가열실(120)을 외부의 충격으로부터 보호한다. 이를 위해, 절연커버(150)는 고무 또는 실리콘 재질로 이루어질 수 있다. 그리고 절연커버(300)는 스팀 배출구(125)를 통해 배출되는 스팀을 외부로 배출하기 위한 맨홀(301)이 하면에 하나 이상 구비되며, 이러한 맨홀(301)의 개폐를 위한 스프링밸런스(303)가 구비된다. 이러한 스프링밸런스(303)는 제어부(10)의 제어명령에 따라 동작되어 맨홀(301)을 개방 또는 폐쇄시킨다. 한편, 맨홀(301)로부터 배출되는 스팀은 건조장치와 연결되는 열매체 보일러(미도시)에 제공될 수 있다.

센서(400)는 건조로(110)에 하나 이상 설치되며, 건조로(110) 내의 수분 및 건조로(110)의 온도, 무게를 측정한다. 이러한 센서(400)는 하나의 센서가 수분, 온도, 무게를 모두 측정하거나 수분센서, 온도센서, 무게센서로 구비될 수 있다. 그리고 센서(400)가 측정한 수분신호, 온도신호, 중량신호는 제어부(10)로 전달되고, 제어부(10)는 측정된 수분량, 온도, 무게에 기반하여 건조공정을 제어한다. 건조공정의 제어에 대한 구체적인 예를 들면, 제어부(10)는 센서(400)를 통해 측정된 수분량에 따라 건조공정의 지속 또는 완료를 결정하며, 센서(400)를 통해 측정된 온도에 따라 스팀부(130)에 의해 공급되는 스팀의 양을 제어하고, 센서(400)를 통해 측정된 무게에 따라 건조로(110)의 무게 변화를 감지하여 원료투입부(100)로부터 원료금속분말(105)의 투입을 제어한다.

제어부(10)는 상술한 원료투입부(100), 가열실(120), 스팀부(130), 구동부(150), 진공펌프(160), 배출부(170), 이송부(180) 및 백필터(190)와 연결되어 상기의 구성들을 제어한다. 이러한 제어부(10)는 대표적인 실시예로는 마이컴, CPU 등이 될 수 있고, 이를 포함하는 컴퓨터로 구성되는 것이 바람직할 것이다.

건조방법

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조 방법(이하에서는 "건조 방법"이라 한다.)를 자세히 설명하도록 하겠다.

먼저, 원료투입부(100)가 의해 건조로(110)의 일측으로 2차전지의 제조에 사용되는 원료금속분말(105)을 투입한다(S100). 여기서, 원료금속분말(105)은 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 금속분말이며, 제조공정상 통상 4~12 중량%의 수분을 포함하게 된다. 이러한 원료금속분말(105)이 수분을 많이 포함하게 되는 경우에는, 건조공정에서 많은 시간이 소요되어 전체 공정이 원활하지 않게 되는 문제점이 발생하게 된다.

이때, 건조로(110)에 원료금속분말(105)이 투입됨에 따라 건조로(110)의 중량이 증가하게 되고, 센서(400)가 이를 감지하여 제어부(10)로 전달한다. 제어부(10)는 건조로(110)의 중량이 기준중량을 초과하는 경우에 원료투입부(100)를 정지시켜 원료금속분말(105)의 투입을 차단한다.

그 다음, 건조로(110) 내에서 설치되는 교반부(140)가 구동부(150)에서 제공되는 제1 속도를 기반으로 회전하여 원료금속분말(105)을 교반하고, 상기 교반 동안에 원료금속분말(105)이 스팀부(130)로부터 가열실(120)로 공급되는 스팀에 의해 건조된다(S200).

이와 같은, S200 단계는 건조로(110)가 가열실(120)에 공급되는 스팀의 열전달에 의해 가열 및 건조된다(S210). 여기서, 가열시(120)의 스팀은 상술한 바와 같이, 스팀부(130)로부터 공급되는 스팀이며, 건조로(110)는 스팀의 열전달에 의해 100℃~120℃의 온도범위로 가열된다. 그리고 가열실(120)은 건조로(110)와 격리된 채 접하게 설치되기 때문에, 건조로(110)에 투입되는 원료금속분말(105)은 스팀에 의해 직접적으로 건조되는 것은 아니다.

그 다음, 진공펌프(160)가 건조로(110)에 진공압을 형성시킨다(S220). 이때, 건조로(110)는 진공펌프(160)의 진공압에 의해 부압상태가 된다. 그리고 건조로(110)는 내부온도가 100℃~120℃에서 160℃~180℃까지 더 상승하게 된다. 여기서, 건조로(110)의 내부온도를 더 상승시키는 것은, 120℃ 미만에서는 낮은 온도로 인해 건조시간이 늘어나는 비경제성이 있고, 180℃ 초과에서는 과다한 스팀이 공급되거나 스팀의 압력이 너무 높아서 폭발의 위험성과 함께 물성의 변화가 생길 수 있다. 따라서, 3시간 건조될 때 120℃~180℃의 온도범위 중 130℃~150℃의 온도범위가 더욱 적절하다. 이러한 온도는 센서(400)에 의해 검출되어 제어부(10)로 보내짐으로서 유지될 수 있다.

한편, 상술한 S220의 진공압 형성 단계에서는 진공펌프(160)의 진공압에 의해 공기와 수분을 포함하는 스팀(195) 및 원료금속분말(105)이 백필터(190)로 흡입된다. 이때, 스팀(195)은 외부로 배출되되, 원료금속분말(105)은 백필터(190)에 의해 여과되면서 건조로(110)로 낙하되어 복귀하게 된다. 이로써 건조공정 중에 스팀배출로 손실되는 금속분말을 최소화할 수 있다.

그 다음, 교반부(140)가 제1 속도로 회전하면서 원료금속분말(105)을 교반한다(S230). 이러한 S230의 교반 단계는 상술한 S220의 진공압 형성 단계와 함께 진행될 수 있다. 그리고 교반부(140)의 교반축(141)은 구동부(150)의 제1 모터(151)로부터 제1 속도를 전달받으며, 제1 속도는 상술한 바와 같이, 0.5 ~ 1 RPM이다. 또한, 교반익(143)은 교반축(141)에 의해 제1 속도로 회전하면서 원료금속분말(105)을 교반한다. 한편, 상기 교반에 의해 원료금속분말(105)은 천천히 건조로 하부(113)의 외주연으로 균일하게 밀려나게 된다.

그 다음, 진공펌프(160)의 작동이 중지되어 건조로(110)에 공기의 흐름이 발생된다(S240). 이때, 건조로(110)는 공기의 흐름이 발생되어 부압상태에서 해제된다. 그리고 S240의 공기 발생 단계는 제어부(10)가 센서(400)를 통해 원료금속분말(105)의 수분함유량이 600 ppm 이하라고 판단할 때 진행된다. 즉, 원료금속분말(105)의 수분함유량이 600 ppm 이하가 되기 전까지는 진공펌프(160)에서 진공압이 지속적으로 형성되어 건조로(110)를 부압상태로 유지시킨다.

상술한 S210~S240 단계가 종료된 후에, 교반부(140)가 구동부(150)에서 제공되는 제2 속도를 기반으로 회전하여 혼합금속분말(185)을 건조로(110)로로부터 배출시킨다(S300). 여기서, 교반부(140)는 교반축(141)이 구동부(150)의 제2 모터(152)로부터 제2 속도를 전달받으며, 제2 속도는 상술한 바와 같이, 2 ~ 10 RPM이다. 이와 같이, 제2 속도로 회전하는 교반익(143)은 제1 속도로 회전할때보다 빠른 시간 내에 혼합금속분말(185)을 건조로(110)의 외주연으로 밀어내며, 혼합금속분말(185)을 외주연으로 밀어내면서 건조로(110)의 측면 하부로 배출되도록 한다. 한편, 혼합금속분말(185)은 S100 내지 S200(S210~S240) 단계의 건조 및 교반 과정을 거쳐 생성되는 분말이고, 건조로(110)의 측면 하부에 구비되는 배출부(170)의 배출기(171)로 낙하되면서 배출관(172)과 연결된 이송부(180)로 이송되어 외부로 배출된다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 제어부, 100: 원료투입부,
105: 원료금속분말, 110: 건조로,
111: 건조로 상부, 113: 건조로 하부,
115: 결합부, 120: 가열실,
121: 스팁 유입구, 123: 베플,
125: 스팀 배출구, 130: 스팀부,
140: 교반부, 141: 교반축,
143: 교반익, 150: 구동부,
151: 제1 모터, 152: 제2 모터,
153: 클러치, 154: 구동축,
155: 베어링, 156: 오일씰,
157: 에어퍼지용 관, 158: 지지부재,
159: 감속기, 160: 진동펌프,
170: 배출부, 171: 배출기,
172: 배출관, 180: 이송부,
185: 혼합금속분말, 190: 백필터,
195: 스팀, 200: 지지부재,
201: 베이스 프레임, 203: 보강재,
300: 절연커버, 301: 맨홀,
303: 스프링 밸런스, 400: 센서.

Claims

2차전지를 제조하기 위한 금속분말 건조장치에 있어서,
일측으로 2차전지의 제조에 사용되는 원료금속분말이 투입되며, 상부가 반구형인 돔 구조로 이루어지는 건조로;
상기 건조로의 둘레에서 상기 건조로와 격리된 채로 상기 건조로를 가열시키는 가열실;
상기 건조로의 상부와 연결되며, 상기 건조로 내에 상기 원료금속분말을 투입하는 원료투입부;
상기 건조로 내에 설치되며, 상기 건조로 내에 투입되는 원료금속분말을 교반하는 교반부; 및
상기 건조장치의 상부에 설치되며, 상기 교반부에 제1 속도를 제공하는 제1 모터 및 상기 제1 속도보다 큰 제2 속도를 제공하는 제2 모터가 구비되는 구동부;를 포함하고,
상기 제1 속도는 0.5 ~ 1 RPM이고, 상기 제2 속도는 2 ~ 10 RPM이며,
상기 건조로의 타측과 연결되며, 상기 건조로에 진공압을 형성시켜 부압상태가 되도록 하는 진공펌프;를 더 포함하고,
상기 진공펌프는,
상기 건조로에 상기 진공압을 형성시켜 상기 건조로 내의 스팀이 배출되도록 하며, 상기 진공압을 통해 상기 가열실의 스팀에 의해 온도가 상승된 건조로의 온도를 더 상승시키며,
상기 건조로의 내부온도는, 상기 진공펌프가 작동되기 전 상기 가열실에 의해 가열될 때 100℃~120℃까지 상승되되, 상기 진공펌프가 상기 진공압을 형성시킬 때 160℃~180℃까지 더 상승되고,
상기 건조로 내에 하나 이상 설치되어 상기 원료금속분말의 수분함유량, 상기 건조로의 온도, 무게를 측정하는 센서;를 더 포함하며,
상기 진공펌프는,
상기 센서가 상기 원료금속분말의 수분함유량을 600 ppm 이하라고 측정하기 전까지 상기 진공압을 형성하여 상기 건조로가 부압상태가 되도록 하고,
상기 금속분말 건조장치는,
상기 가열실의 일측과 연결되며, 상기 가열실 내에 스팀을 공급하는 스팀부;
상기 건조로의 타측에 구비되어, 상기 건조로 내에서 건조 및 교반이 완료된 혼합금속분말을 배출하는 배출부; 및
상기 배출부에 의해 배출되는 혼합금속분말을 이송하기 위한 바이브레이터 이송부;를 더 포함하고,
상기 가열실은,
일측에 하나 이상 구비되며, 상기 스팀부와 연결되어 상기 스팀이 투입되도록 관 형태로 마련되는 스팀 유입구;
경사각을 가진 상태로 하나 이상 구비되어 상기 스팀을 일측으로부터 타측까지 확산되도록 유도하는 베플; 및
하면에 하나 이상 형성되며, 상기 건조로의 가열을 위해 공급되는 스팀을 배출하는 스팀 배출구;를 포함하며,
상기 구동부는,
상기 제1, 2 모터와 축결합되며, 상기 제1 속도가 생성될 때 작동되어 상기 제1 속도가 상기 제2 모터에 전달되는 것을 차단하는 클러치; 및
일측이 상기 클러치, 타측이 상기 교반부와 축결합되어 상기 제1 속도 또는 상기 제2 속도를 상기 교반부에 전달하는 구동축;
상기 구동축의 외측을 감싸게 되어 상기 제1 속도 또는 상기 제2 속도에 의해 회전되는 상기 구동축을 충격으로부터 지지하는 베어링;
상기 구동축과 인접하게 설치되며, 상기 구동축의 원활한 회전을 위해 투입되는 오일의 누유를 방지하는 오일씰;
상기 구동축이 내부를 관통하는 상기 구동부의 하우징 내에 잔존하는 공기 및 수분을 제거하는 에어퍼지용 관;
상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 하부에 설치되어, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 하중을 지지하는 지지부재; 및
상기 제1 모터에서 발생되는 속도를 상기 제1 속도로 감속시키며, 상기 제2 모터에서 발생되는 속도를 상기 제2 속도로 감속시키는 감속기;를 포함하고,
상기 금속분말 건조장치는,
상기 금속분말 건조장치를 지지하기 위한 'H'형 빔인 베이스 프레임 및 상기 금속분말 건조장치의 지지를 보강하기 위한 'ㄷ'형 빔인 보강재가 하나 이상 구비되는 지지부재; 및
상기 보강재가 내부에 설치되며, 상기 건조로와 상기 가열실의 외측 둘레에 설치되어 상기 건조로와 상기 가열실을 외부의 충격으로부터 보호하고, 상기 스팀 배출구를 통해 배출되는 스팀을 외부로 배출하기 위한 맨홀이 하면에 하나 이상 구비되며, 상기 맨홀의 개폐를 위한 스프링밸런스가 구비되는 절연커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조장치.
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2차전지를 제조하기 위한 금속분말 건조장치를 이용하여 금속분말을 건조시키는 건조방법에 있어서,
원료투입부가 건조로의 일측으로 2차전지의 제조에 사용되는 원료금속분말을 투입하는 제1 단계;
교반부가 구동부에서 제공되는 제1 속도를 기반으로 회전하여 상기 원료금속분말을 교반하고, 상기 교반 과정 동안에 상기 원료금속분말이 가열실에 공급되는 스팀에 의해 건조되는 제2 단계; 및
상기 교반부가 상기 구동부에서 제공되는 상기 제1 속도보다 큰 제2 속도의 를 기반으로 회전하여 상기 제2 단계에서 건조 및 교반이 완료된 혼합금속분말을 상기 건조로로부터 배출시키는 제3 단계;를 포함하고,
상기 제1 속도는 0.5 ~ 1 RPM이고, 상기 제2 속도는 2 ~ 10 RPM이며,
상기 제2 단계는,
상기 건조로가 상기 가열실에 공급되는 스팀의 열전달에 의해 가열 및 건조되는 제2-1 단계;
진공펌프가 상기 건조로에 진공압을 형성시키는 제2-2 단계;
상기 교반부가 상기 제1 속도로 회전하면서 상기 원료금속분말을 교반하는 제2-3 단계; 및
상기 진공펌프의 작동이 중지되어 상기 건조로에 공기의 흐름이 발생되는 제2-4 단계;를 포함하고,
상기 제2-1 단계에서, 건조로의 내부온도는 상기 스팀의 열전달에 의해 가열되어 100℃~120℃까지 상승되며,
상기 제2-2 단계에서, 건조로의 내부온도는 상기 진공펌프가 형성하는 상기 진공압에 의해 160℃~180℃까지 상승되고,
상기 제2-2 단계는, 상기 건조로 내에 하나 이상 설치되어 상기 원료금속분말의 수분함유량, 상기 건조로의 온도, 무게를 측정하는 센서가 상기 원료금속분말의 수분함유량을 600 ppm 이하라고 측정하기 전까지 상기 진공펌프로부터 상기 진공압이 형성되어 상기 건조로가 부압상태가 되도록 하며,
상기 금속분말 건조장치는,
상기 가열실의 일측과 연결되며, 상기 가열실 내에 스팀을 공급하는 스팀부;
상기 건조로의 타측에 구비되어, 상기 건조로 내에서 건조 및 교반이 완료된 혼합금속분말을 배출하는 배출부; 및
상기 배출부에 의해 배출되는 혼합금속분말을 이송하기 위한 바이브레이터 이송부;를 더 포함하고,
상기 가열실은,
일측에 하나 이상 구비되며, 상기 스팀부와 연결되어 상기 스팀이 투입되도록 관 형태로 마련되는 스팀 유입구;
경사각을 가진 상태로 하나 이상 구비되어 상기 스팀을 일측으로부터 타측까지 확산되도록 유도하는 베플; 및
하면에 하나 이상 형성되며, 상기 건조로의 가열을 위해 공급되는 스팀을 배출하는 스팀 배출구;를 포함하며,
상기 구동부는,
상기 교반부에 제1 속도를 제공하는 제1 모터;
상기 제1 속도보다 큰 제2 속도를 제공하는 제2 모터;
상기 제1, 2 모터와 축결합되며, 상기 제1 속도가 생성될 때 작동되어 상기 제1 속도가 상기 제2 모터에 전달되는 것을 차단하는 클러치; 및
일측이 상기 클러치, 타측이 상기 교반부와 축결합되어 상기 제1 속도 또는 상기 제2 속도를 상기 교반부에 전달하는 구동축;
상기 구동축의 외측을 감싸게 되어 상기 제1 속도 또는 상기 제2 속도에 의해 회전되는 상기 구동축을 충격으로부터 지지하는 베어링;
상기 구동축과 인접하게 설치되며, 상기 구동축의 원활한 회전을 위해 투입되는 오일의 누유를 방지하는 오일씰;
상기 구동축이 내부를 관통하는 상기 구동부의 하우징 내에 잔존하는 공기 및 수분을 제거하는 에어퍼지용 관;
상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 하부에 설치되어, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 하중을 지지하는 지지부재; 및
상기 제1 모터에서 발생되는 속도를 상기 제1 속도로 감속시키며, 상기 제2 모터에서 발생되는 속도를 상기 제2 속도로 감속시키는 감속기;를 포함하고,
상기 금속분말 건조장치는,
상기 금속분말 건조장치를 지지하기 위한 'H'형 빔인 베이스 프레임 및 상기 금속분말 건조장치의 지지를 보강하기 위한 'ㄷ'형 빔인 보강재가 하나 이상 구비되는 지지부재; 및
상기 보강재가 내부에 설치되며, 상기 건조로와 상기 가열실의 외측 둘레에 설치되어 상기 건조로와 상기 가열실을 외부의 충격으로부터 보호하고, 상기 스팀 배출구를 통해 배출되는 스팀을 외부로 배출하기 위한 맨홀이 하면에 하나 이상 구비되며, 상기 맨홀의 개폐를 위한 스프링밸런스가 구비되는 절연커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조를 위한 금속분말 건조방법.
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