KR102145526B1 - 전극용 슬러리 혼합 장치 및 상기 장치를 이용한 슬러리 제조 방법 - Google Patents

전극용 슬러리 혼합 장치 및 상기 장치를 이용한 슬러리 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬러리 혼합 공정 중 불순물인 철을 효과적으로 제거할 수 있는 전극용 슬러리 혼합 장치 및 상기 장치를 이용한 전극용 슬러리 제조 방법에 대한 것이다. 상기 전극용 슬러리 혼합 장치는 자력을 갖는 교반 블레이드를 구비함으로써 슬러리 혼합 및 교반과 동시에 슬러리에 포함된 금속 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

전극용 슬러리 혼합 장치 및 상기 장치를 이용한 슬러리 제조 방법{A device for mixing an electrode slurry and a method for preparing a slurry by using the same}
본 발명은 전극용 슬러리 혼합 장치 및 상기 장치를 이용한 슬러리 제조 방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 슬러리 혼합 공정 중 불순물인 철을 효과적으로 제거할 수 있는 전극용 슬러리 혼합 장치 및 상기 장치를 이용한 전극용 슬러리 제조 방법에 대한 것이다.
이차전지에 이용되는 전극판, 즉 양극판 및 음극판은, 구리나 알루미늄 등의 전극 집전체의 표면에 전극 슬러리를 코팅한 후 이를 건조함으로써 얻어질 수 있다. 전극 슬러리는 적절한 용매에 전극 활물질, 도전재, 바인더를 투입하고 혼합하여 제조될 수 있는데 슬러리 내 각 성분의 균일한 분산을 위해 통상적으로 교반기 및/또는 임펠러 장치를 갖는 혼합 장치를 사용한다. 전극에 포함되는 도전재는 제조 공정상 불가피하게 금속 불순물, 예를 들어 철(Fe)이 포함될 수 있으며 전극에 이러한 불순물이 다량 잔존하게 되는 경우에는 전지의 안전성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 전극 제조시 금속 불순물을 제거하는 공정이 필요하다.
본 발명은 전극용 슬러리 제조시 도전재에 포함된 금속 불순물을 효과적으로 제거할 수 있는 전극 슬러리 혼합 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 혼합 장치를 사용하여 슬러리를 제조 하는 방법 및 상기 방법에 따라 제조된 전극 슬러리를 제공하는 것이다. 이 외의 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 전극용 슬러리 혼합 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 측면은, 전극용 슬러리 혼합 장치인 것으로서, 상기 장치는 전극용 슬러리가 충진되는 용기; 및 상기 용기 내부에 회전 가능하게 구비되며, 상기 슬러리를 교반 및 혼합하는 교반기; 를 포함하며, 상기 교반기는 회전축 및 상기 회전축에 연결된 교반 블레이드를 하나 이상 포함하고, 상기 교반 블레이드는 자력을 갖는 것이다.
본 발명의 제2 측면은, 상기 제1 측면에 있어서 상기 교반 블레이드가 자성 물체를 포함하는 것이다.
본 발명의 제3 측면은, 상기 제1 또는 제2 측면에 있어서, 상기 자성 물체가 자석인 것이다.
본 발명의 제4 측면은, 상기 제1 내지 제3 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 교반 블레이드는 블레이드 날 본체 및 상기 본체에 부착된 자석판을 포함하는 것이다.
본 발명의 제5 측면은 상기 제4 측면에 있어서, 상기 교반 블레이드는 자석판의 일측 표면이 자석판이 부착되는 블레이드날 본체의 일측 표면과 대응되는 형상으로 구비되어 자석판과 블레이드날 본체가 이격없이 밀착되는 것이다.
본 발명의 제6 측면은 상기 제4 측면에 있어서, 상기 자석판은 블레이드 날 본체와 자력에 의해 부착되는 것이다.
본 발명의 제7 측면은 상기 제4 측면에 있어서, 상기 자석판은 상기 블레이드 날 본체에 탈착식으로 부착되는 것이다.
본 발명의 제8 측면은 상기 제1 내지 제7 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 혼합 장치가 상기 회전축과 연결되어 교반기를 회전시키는 구동부를 더 포함하는 것이다.
본 발명의 제9 측면은 상기 제1 내지 제8 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 전극용 슬러리가 전극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 포함하는 것이다.
본 발명의 제10 측면은 전극용 슬러리 제조 방법에 대한 것으로서, 상기 제1 내지 제9 측면 중 어느 하나에 따른 장치를 이용하여 전극용 슬러리를 혼합하며, 수득된 슬러리는 철(Fe)의 함량이 전극 활물질 100중량% 대비 0.1중량% 미만인 것이다.
본 발명의 제11 측면은 전극 제조용 슬러리에 대한 것으로서, 상기 전극 제조용 슬러리는 상기 제10 측면에 따른 방법에 따라 제조된 것이며, 철(Fe)의 함량이 전극 활물질 100중량% 대비 0.1중량% 미만인 것이다.
본 발명에 따른 전극용 슬러리 혼합 장치 및 이를 이용한 전극용 슬러리 제조 방법은 전극용 슬러리의 혼합/교반과 동시에 금속 불순물을 제거할 수 있으므로 별도의 금속 불순물 제거 공정을 수행할 필요가 없어 공정 효율이 개선된다. 또한, 상기 방법에 따라 제조된 전극용 슬러리는 잔존하는 금속 불순물의 농도가 낮으므로 이를 이용하여 제조된 전지는 사용상 안전성이 개선된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극용 슬러리 혼합 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 교반 블레이드를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 자석판을 도식화하여 나타난 것이다.
도 5는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 교반 블레이드가 둘 이상 형성된 전극용 슬러리 혼합 장치를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
본 발명은 전극용 슬러리 혼합 장치에 대한 것이다. 상기 전극용 슬러리 혼합 장치는 자력을 갖는 교반 블레이드를 구비함으로써 슬러리 혼합 및 교반과 동시에 슬러리에 포함된 금속 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 교반 블레이드는 교반 블레이드 날과 자성 물체를 포함할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 자성 물체는 전자석 또는 영구자석일 수 있다. 또는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 교반 블레이드는 자성 물질을 포함할 수 있다. 또는 상기 교반 블레이드는 자성을 갖는 교반 블레이드 날을 포함할 수 있다.
다음으로 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 구체적인 일 실시양태를 도식화하여 나타낸 것이다. 이를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 슬러리 혼합 장치(100)는 전극 슬러리의 원료가 충진되는 용기(120), 상기 용기 내부에 회전 가능하게 구비되는 교반기(110)을 포함한다. 또한, 상기 교반기(110)는 회전축(112) 및 상기 회전축에 연결된 교반 블레이드(111)를 포함한다.
상기 용기(120)는 전극 슬러리(미도시) 및 교반기(111)를 수용할 수 있도록 내부에 공간(140)이 형성된다. 상기 용기는 교반기(110)의 교반 블레이드가 용기(120)와 충돌하지 않고 회전할 수 있도록 적절한 크기를 갖도록 한다. 바람직하게는 상기 용기는 교반기의 회전시 교반 블레이드와 용기 내벽 사이의 클리어런스(clearance)가 일정하게 형성되도록 하기 위해서 원통 형상으로 이루어질 수 있다.
교반기(110)는 용기의 내부에 회전 가능하게 구비된다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 교반기는 구동부에 연결되어 회전하는 회전축(112)과 상기 회전축에 부착되며 회전축의 회전에 의해 용기 내부에서 회전하며 슬러리의 교반을 유도하는 교반 블레이드(111)를 포함한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 교반 블레이드는 디스크 형상을 갖거나 또는 개별적인 하나 또는 둘 이상의 날개가 하나의 세트로 구비된 것일 수 있다. 도 2 및 도 3은 교반 블레이드의 구체적인 일 실시양태를 도시한 것으로서, 도 2는 디스크 형상을 갖는 교반 블레이드를, 도 3은 다수 개의 날개가 세트로 구비된 교반 블레이드를 나타낸 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 교반 블레이드는 자력을 갖는 것으로서 철(Fe)과 같은 금속 성분을 부착시킬 수 있다. 상기 교반 블레이드는 자력에 의해 슬러리 중 존재하는 철(Fe) 등 금속 불순물을 부착시키므로 금속 불순물이 슬러리로부터 분리된다. 이러한 불순물의 제거는 전극용 슬러리의 교반과 동시에 수행될 수 있으므로 전극 제조시 별도의 불순물 제거 공정을 수행할 필요가 없고 공정 효율이 개선되는 효과가 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 교반 블레이드는 자성 물체를 포함한다. 상기 자성 물체는, 철과 같은 금속 불순물을 자력에 의해 부착시킬 수 있는 것으로서, 예를 들어 자석일 수 있으며, 구체적으로 전자석 또는 영구 자석일 수 있다.
도 4a 및 4b는 자성 물체를 포함하는 교반 블레이드의 일 실시양태를 개략적으로 도시한 것이다. 이를 참조하면 교반 블레이드는 블레이드날 본체(111a)와 상기 본체의 일면에 결착된 자석판(111b)을 포함한다. 상기 자석판은 그 자체가 자석으로 이루어지거나(도 4a 참조) 또는 다수의 자석 유닛(113a)들이 이들을 수용하는 외장재인 자석 고정 부재(113b)에 배열되어 구성된 장치(113)일 수 있다(도 4b 참조). 상기 자석 고정 부재는 자석 유닛의 자속 밀도에 영향이 적은 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 아크릴과 같은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 자석판은 자석판이 부착될 블레이드 날의 일면과 대응되는 형상으로 제작하여 블레이드날 본체와 이격없이 밀착된다.
상기 자석판은 블레이드 날 본체에 탈착식으로 부착될 수 있으며, 이때 자석판의 부착을 위해 블레이드날 본체와 자석판 사이에 적절한 체결구(미도시)를 구비할 수 있다. 본 발명에 따른 구체적인 일 실시양태에 있어서, 블레이드날 본체가 철판과 같이 자성에 의해 자석에 부착될 수 있는 재질로 이루어진 경우에는 체결구를 이용하지 않고 자석판을 교반 블레이드날 본체에 부착할 수 있다.
전술한 바와 같이 자석판이 교반 블레이드 날 본체에 부착된 경우에는 금속 불순물은 자석판 부분에만 부착된다. 따라서 슬러리 제조 후 새로운 슬러리를 용기에 투입하기 이전에 혼합 장치를 세척할 때 교반 블레이드를 회전축으로부터 분리하지 않고 블레이드 날 본체로부터 자석판만을 분리한 후 자석판에 부착된 불순물을 제거할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 교반 블레이드는 회전축에 둘 이상이 구비될 수 있다. 이때 적어도 하나의 교반 블레이드는 자력을 갖는 것일 수 있다. 도 5을 참조하면 상기 교반 블레이드가 회전축의 상측 및 하측에 각각 구비되어 있다. 이때 상측과 하측의 교반 블레이드는 슬러리를 서로 반대 방향으로 이동시켜 슬러리에 포함된 성분들이 균일한 분산상태에 도달하는 시간을 단축할 수 있다. 예를 들어 상측의 교반 블레이드는 슬러리를 용기 하측으로 운동시키며 하측의 교반 블레이드는 슬러리를 용기 상측으로 운동시킬 수 있다.
또한, 상기 슬러리 혼합 장치(100)는 교반기를 회전시키는 구동부(130) 를 더 구비할 수 있다. 상기 구동부는 교반기의 상기 회전축(112)과 연결되며 회전축을 회전시킴으로써 회전축에 연결된 교반 블레이드가 회전하게 된다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 구동부는 용기 저부에 구비되고 구동부의 상방에 배치된 교반기와 회전축을 통해 연결될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극용 슬러리는 전극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 포함할 수 있다. 전극 활물질은 양극 활물질과 음극 활물질로 분류되는데 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물;화학식 Li1 + yMn2 - yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐산화물; 화학식 LiNi1 -yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y =0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서,M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO3, Pb3O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분인 것이다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈,폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
본 발명에서 슬러리의 성분, 즉 전극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매 등의 성분은 전술한 내용에 한정되는 것은 아니며 전지 분야, 특히 리튬 이온 이차 전지의 제조에 사용될 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 장치를 이용한 전극용 슬러리 제조 방법 및 상기 제조 방법에 따라 제조된 전극용 슬러리를 제공한다. 상기 슬러리는 슬러리 중 철(Fe)의 함량이 전극 활물질 100중량% 대비 0.1 중량% 미만인 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 ... 슬러리 혼합 장치
110 ...교반기
120... 용기
111 ...교반 블레이드
111a ...본체, 111b... 자석판
113a... 자석 유닛 113b ...자석 고정 부재
112... 회전축, 140 ...내부 공간

Claims (11)

  1. 전극용 슬러리가 충진되는 용기; 및
    상기 용기 내부에 회전 가능하게 구비되며, 상기 슬러리를 교반 및 혼합하는 교반기; 를 포함하며,
    상기 교반기는 회전축 및 상기 회전축에 연결된 교반 블레이드를 하나 이상 포함하고, 상기 교반 블레이드는 자력을 갖는 것이며,
    상기 교반 블레이드는 블레이드날 본체와 상기 본체의 일면에 결착된 자석판으로 구성되며, 상기 자석판은 다수의 자석 유닛들이 이들을 수용하는 외장재인 자석 고정 부재에 배열되어 있는 것이며,
    상기 자석 고정 부재는 스테인레스스틸, 알루미늄, 구리 또는 아크릴이며, 상기 자석판은 상기 블레이드날 본체에 탈착식으로 부착되는 것인 전극용 슬러리 혼합 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 교반 블레이드는 자석판의 일측 표면이 자석판이 부착되는 블레이드날 본체의 일측 표면과 대응되는 형상으로 구비되어 자석판과 블레이드날 본체가 이격없이 밀착되는 것인 전극용 슬러리 혼합 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자석판은 블레이드 날 본체와 자력에 의해 부착되는 것인 전극용 슬러리 혼합 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 장치는 상기 회전축과 연결되어 교반기를 회전시키는 구동부를 더 포함하는 것인 전극용 슬러리 혼합 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극용 슬러리는 전극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 포함하는 것인 전극용 슬러리 혼합 장치.
  10. 제1항, 제5항, 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여 전극용 슬러리를 혼합하며, 수득된 슬러리는 철(Fe)의 함량이 전극 활물질 100중량% 대비 0.1중량% 미만인 것인 전극용 슬러리 제조 방법.
  11. 삭제
KR1020160006592A 2016-01-19 2016-01-19 전극용 슬러리 혼합 장치 및 상기 장치를 이용한 슬러리 제조 방법 KR102145526B1 (ko)

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