KR102231760B1 - 공침 반응기 - Google Patents

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KR102231760B1
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Abstract

본 발명은 연속 여과 시스템을 장착한 공침 반응기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 반응물을 내부에 수용하여 반응시키는 몸체, 상기 몸체의 내부로 상기 반응물을 투입하는 투입부 및 상기 몸체의 내부에 설치되고 상기 몸체의 내부에서 상기 반응물이 반응하여 생성된 전구체와 반응 용액 중 상기 전구체를 필터링하는 필터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공침 반응기{COPRECIPITATION REACTOR}
본 발명은 공침 반응기에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 연속 여과 시스템을 장착한 공침 반응기에 관한 것이다.
각종 화학물질의 제조 공정은 제조 방법에 따라 차이는 있지만 일반적으로 결정화 과정, 성장 과정, 세정 과정, 여과 과정, 건조 과정 등을 수반한다.
예컨대 이차전지용 양극활물질의 제조 방법으로는 크게 고상 반응법과 습식법이 있는데, 고상 반응법은 각 구성원료 분말을 혼합하여 수 회 소성하고 분쇄하는 과정으로 이루어진다.
습식법은 다시 분무 열분해법과 공침법으로 나뉠 수 있는데, 분무 열분해법은 구성 원료를 용매에 녹인 후 일정한 크기의 액적을 발생시킨 후 순간적으로 소성하여 금속 산화물을 얻는 방법이며, 공침법은 구성 원료를 용매에 녹인 후 PH 조절을 통하여 금속수산화물 전구체를 합성 및 성장시키고, 성장된 전구체를 포함한 용액을 필터링 및 건조시킨 후 소정의 소성 과정을 거쳐 이차전지용 양극활물질을 얻는 방식이다.
그러나 기존의 화학물질 제조 방식에서는 물질의 반응 과정, 세정 과정, 필터링 과정 및 여과 과정 등이 개별적인 공정을 진행할 수 있는 별도의 장치에서 이루어졌다.
따라서 개별 장치들의 제어가 복잡하고, 반응물질들을 다른 장치로 이송하는 과정에서 공기에 노출되어 오염될 가능성도 있으며, 전체 설비의 크기가 커지는 문제점을 가지고 있다.
공침 반응기는 이러한 문제점을 해결하기 위해 사용하였다.
대한민국공개특허 제10-2010-0059601호에서는 공침 반응기에 대한 기술이 공지되어 있다.
그러나 이러한 종래의 공침 반응기는 반응물이 유입되어 반응기 내의 온도, 농도 등 조건이 동일한 상태로 되기까지 초기 생성물은 모두 버려지게 되어 생산 수율이 저하되는 문제점이 있었다.
또는, 반응기 크기에 의해 반응 시간이 제한되고, 이에 따라 반응물의 생산량의 제한이 생기게 되는데, 반응 시간의 제한으로 인해서 입도의 균일성 향상에 제한이 생기는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 여과 유량을 향상시킨 연속 여과 시스템을 적용한 공침 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공침 반응기는 반응물을 내부에 수용하여 반응시키는 몸체, 상기 몸체의 내부로 상기 반응물을 투입하는 투입부 및 상기 몸체의 내부에 설치되고 상기 몸체의 내부에서 상기 반응물이 반응하여 생성된 전구체와 반응 용액 중 상기 전구체를 필터링하는 필터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 몸체는 상기 몸체 내부의 전구체를 외부로 배출하기 위한 드레인부를 포함할 수 있다.
상기 드레인부는 상기 몸체의 하부 또는 상기 몸체의 상측 둘레부 중 어느 하나 이상에 형성될 수 있다.
상기 몸체는 내부 중앙 측에 상기 몸체 내부의 반응물들을 섞기 위한 임팰러부를 포함할 수 있다.
상기 임팰러부는 상기 몸체의 상단부에 고정되고, 상기 투입부는 상기 임팰러부의 주변에 위치하도록 상기 몸체의 상단부에 복수 개로 설치될 수 있다.
상기 투입부로 반응물 투입을 중단하고, 상기 임팰러부로 반응물 섞는 것을 중단하는 휴지기를 통해 상기 필터부에 들러붙은 전구체를 떼어내는 작동이 이루어질 수 있다.
상기 필터부는 상기 몸체의 내부에 위치하여 상기 반응물이 반응하여 생성된 전구체와 반응 용액 중 상기 전구체를 필터링하는 필터와, 상기 필터와 이어지게 형성되며 상기 몸체의 외부로 연장되고, 상기 필터에 의해 전구체가 필터링 된 상기 반응 용액을 상기 몸체의 외부로 배출하는 유로관을 포함할 수 있다.
상기 유로관과 연통하여 상기 유로관으로 배출되는 상기 반응 용액을 집수하는 집수조를 포함할 수 있다.
상기 집수조와 연통하여 상기 몸체 내부의 반응 용액을 상기 유로관으로부터 상기 집수조로 드레인하는 진공 펌프를 포함할 수 있다.
상기 진공 펌프의 가동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 유로관에 연통하여 상기 유로관을 통해 상기 필터로 불활성 물질을 주입하는 주입부를 포함할 수 있다.
상기 주입부로부터 상기 필터로 주입된 불활성 물질은 상기 필터에 들러붙은 전구체를 떼어낼 수 있다.
상기 불활성 물질은 불활성 기체 또는 불활성 액체일 수 있다.
상기 주입부의 가동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 필터는 주름 필터일 수 있다.
상기 필터는 스테인레스(SUS) 소재일 수 있다.
상기 필터부는 상호 이격되게 복수 개로 설치될 수 있다.
상기 복수 개의 필터부에 각각 형성된 필터는 서로 기공의 크기가 다르고 제어부에 의해 기 설정된 가동 시간에 따라 기공의 크기가 작은 필터에서 기공의 크기가 더 큰 순서로 가동될 수 있다.
상기 기 설정된 가동 시간은 각각의 복수 개의 필터의 기공의 크기에 따라 서로 다르게 설정되되, 상기 기공의 크기의 증가에 따라 상기 기 설정된 가동 시간이 증가할 수 있다.
상기 복수 개의 필터부에 각각 형성된 필터는 상기 제어부에 의해 하나의 필터가 작동되면 다른 필터들은 작동을 멈출 수 있다.
본 발명에 따르면, 전구체의 생산 수율을 높이는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 기공의 크기가 3㎛ ~ 5㎛인 필터부를 사용하여 여과 유량을 향상시키고 연속 여과 시스템을 구현하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 생산 공정 중 필터부의 세척이 가능한 연속여과방식을 구현하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 필터부를 탈착 함에 따라 연속여과방식, 회분식(Batch), 연속 반응(CSTR)으로 모두 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 생산되는 전구체의 품질 편차을 고르게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공침 반응기의 주요부를 도시한 정면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공침 반응기의 주요부를 도시한 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공침 반응기의 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 종래의 부직포 필터를 도시한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 주름 필터와 종래의 부직포 필터의 여과 유량을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공침 반응기의 주요부를 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 제조된 전구체의 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1에서 제조된 전구체의 SEM 사진이다.
도 9는 본 발명의 비교예 2에서 제조된 전구체의 SEM 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예와 비교예들에서 제조된 전구체의 부피기준 입도 분포를 도시한 분포도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공침 반응기에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서 및 청구범위에 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 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공침 반응기의 주요부를 도시한 정면도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공침 반응기의 주요부를 도시한 정면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공침 반응기는 반응물을 내부에 수용하여 반응시키는 몸체(100), 상기 몸체(100)의 내부로 상기 반응물을 투입하는 투입부(200) 및 상기 몸체(100)의 내부에 설치되고 상기 몸체(100)의 내부에서 상기 반응물이 반응하여 생성된 전구체와 반응 용액 중 상기 전구체를 필터링(filtering) 하는 필터부(300)를 포함한다.
몸체(100)는 상단이 개구된 통체로 형성될 수 있으며, 전구체를 외부로 배출하기 위한 드레인부(110)를 포함할 수 있다.
몸체(100)는 개구된 상단을 막도록 몸체(100)의 상단부에 커버(130)를 설치할 수 있다.
커버(130)는 고정부(131)에 의해 테두리부를 고정할 수 있다.
드레인부(110)는 몸체(100)의 하부 또는 몸체(100)의 상측 둘레부 중 어느 하나 이상에 형성될 수 있다.
몸체(100)의 하부에 형성된 드레인부(110)는 몸체(100) 내부에 쌓인 전구체를 외부로 배출시키기에 적합하고 주로 회분식(Batch) 반응기에서 사용될 수 있다.
몸체(100)의 상측 둘레부에 형성된 드레인부(110)는 몸체(100)의 내부에 연속적으로 쌓이는 전구체를 외부로 배출시키기에 적합하고 주로 연속 반응기(CSTR)에서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공침 반응기는 드레인부(110)를 몸체(100)의 하부와 몸체(100)의 상측 둘레부에 모두 형성하고, 필터부(300)를 몸체(100)로부터 분리하면 필요에 따라 회분식 반응기 또는 연속 반응기로 사용할 수도 있다.
몸체(100)는 내부 중앙 측에 몸체(100) 내부로 투입된 서로 다른 반응물들을 섞기 위한 임팰러부(120)를 포함할 수 있다.
임팰러부(120)는 외측 단부를 몸체(100)의 상단 개구부를 막는 커버(130)에 고정하되, 커버(130)의 외측에 설치된 모터 등과 같은 구동장치(123)에 임팰러부(120)의 외측 단부가 연결되게 고정될 수 있다. 그리고 구동장치(123)를 가동시키면 임팰러부(120)가 회전되게 할 수 있다.
임팰러부(120)의 내측 단부는 몸체(100)의 내측 하부측까지 연장되고, 임팰러부(120)의 외측 단부와 내측 단부의 사이 중 몸체(100)의 내측에 날개부(121)를 형성할 수 있다.
날개부(121)는 복수 개로 형성되고, 임팰러부(120)의 외측 단부와 내측 단부의 사이에 균등하게 설치될 수 있다.
임팰러부(120)가 구동장치(123)에 의해 회전되면 임팰러부(120)에 형성된 날개부(121)도 같이 회전하여 몸체(100) 내부에 투입된 반응물들을 서로 섞어 반응시킬 수 있다.
투입부(200)는 투입부(200)의 외측 단부를 몸체(100)의 상단부에 고정할 수 있다.
그리고 투입부(200)는 임팰러부(120)의 주변에 위치하도록 몸체(100)의 상단부에 복수 개로 설치될 수 있다.
즉, 투입부(200)들은 임팰러부(120)의 주변에 위치함으로써 투입부(200)들로부터 투입되는 반응물들이 임팰러부(120)의 날개부(121)의 회전에 의해 서로 섞여 반응하기 쉽도록 할 수 있다.
투입부(200)들은 질소(N2), 금속(metal) 용액, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 암모니아수(NH4OH) 수용액 등을 각각 투입하기 위한 관 형상일 수 있다.
투입부(200)들은 임팰러부(120)를 기준으로 임팰러부(120)로부터의 거리가 수산화나트륨 수용액 투입 관(201), 금속 용액 투입 관(202), 질소 투입 관(203)의 순서로 가깝게 형성될 수 있고, 암모니아수 수용액 투입 관(204)은 임팰러부(120)를 기준으로 수산화나트륨 수용액 투입 관(201), 금속 용액 투입 관(202), 질소 투입 관(203)의 반대측에 위치할 수 있다.
즉, 투입부(200)들은 투입되는 반응물들의 반응 순서에 따라 빠른 순서로 임팰러부(120)로부터 가깝게 설치될 수 있다.
필터부(300)는 몸체(100)의 상단부에 탈착되게 설치될 수 있다.
필터부(300)는 투입부(200)들 중 인근에 위치된 관이 적어 상대적으로 설치가 쉬운 암모니아수 수용액을 투입하기 위한 관의 인근에 설치될 수 있다.
필터부(300)는 도 1에 도시된 일 실시예와 같이 몸체(100)의 상단부를 직각으로 관통하게 설치될 수 있고, 도 2에 도시된 다른 실시예와 같이 몸체(100)의 상부 측면을 직각으로 관통하게 설치될 수도 있다.
필터부(300)를 몸체(100)의 상단부 또는 상부 측면에 설치하는 것은 공침 반응기가 설치되는 공간 환경에 최적화될 수 있도록 선택적으로 설치할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공침 반응기의 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 필터부(300)는 주름 필터 등과 같은 기공의 크기가 3㎛ ~ 5㎛인 필터(310)와 유로관(330)을 포함할 수 있다.
도면에 도시되진 않았지만 필터부(300)는 복수 개로 몸체(100)에 상호 이격되게 설치될 수 있다.
복수 개의 필터부(300)에 각각 형성된 필터(310)는 3㎛ ~ 5㎛의 범위 내에서 서로 기공의 크기가 다르게 형성될 수 있다.
필터(310)는 몸체(100)의 내부에 위치하여 반응물들이 반응하여 생성된 전구체와 반응 용액 중 전구체를 필터링할 수 있다.
복수 개의 필터(310)의 기공의 크기가 3㎛ ~ 5㎛인 이유는 필터(310)의 기공의 크기가 3㎛ 미만이면 필터(310)를 통과해야 하는 반응 용액의 통과가 원활하게 되지 않을 수 있고, 기공의 크기가 5㎛를 초과하면 전구체를 필터링하지 못하고 통과시킬 수 있는 가능성이 커지기 때문이다.
필터(310)는 스테인레스(SUS) 소재의 주름 필터일 수 있다. 스테인레스 소재는 내산성이 강하여 녹이 슬지 않고 강도가 강해 수명이 긴 효과가 있다.
주름 필터는 입체형으로 여과 넓이를 증가 시킬 수 있고, 내구성이 강해 연속 사용을 할 수 있고 연속 사용시 전구체의 품질 편차가 적은 장점이 있다.
본 발명에 따른 필터(310)에서 산의 수(m)가 41이고 산등성이 길이(a)가 9.5mm이고 b가 200mm이면 여과 면적 계산식 m×2×a×b에 도입하여 155800㎟의 값을 얻을 수 있다.
도 4는 종래의 부직포 필터를 도시한 정면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 부직포 필터(f)는 얇은 판상의 평면형으로 여과 능력이 제한적이고 내구성이 약해 1회성이면서 연속 사용시 전구체 품질 편차가 큰 단점이 있다.(종래 필터는 유로관의 개구를 판상의 평면형 필터가 단지 막는 형태임)
도 3의 본 발명에 따른 주름 필터와 하단에서 상단까지의 길이인 높이가 같은 종래의 부직포의 여과 면적을 계산하면 지름이 200mm일 때, 3.14×100×100=31400㎟의 값을 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 주름 필터와 종래의 부직포 필터의 여과 유량을 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 동일 높이 여과 장치 적용 기준에서 단위 면적당 여과 유량이 동일하다고 가정 할 때 여과 유량의 차이는 4.9배에 달한다.
복수 개의 필터부(300)에 각각 형성된 필터(310)는 서로 기공의 크기가 다르고 제어부(400)에 의해 기 설정된 가동 시간에 따라 기공의 크기가 작은 필터(310)에서 기공의 크기가 더 큰 순서로 가동될 수 있다.
즉, 기 설정된 가동 시간은 각각의 복수 개의 필터(310)의 기공의 크기에 따라 서로 다르게 설정되되, 기공의 크기에 따라 상기 기 설정된 가동 시간이 증가할 수 있다.
일 실시예로 3㎛의 기공의 크기를 갖는 필터는 25시간의 가동 시간이 설정되고, 25시간이 지나면 3㎛의 기공의 크기를 갖는 필터는 가동을 멈추고 4㎛의 기공의 크기를 갖는 필터를 가동시키고 4㎛의 기공을 갖는 필터를 65시간의 가동 시간이 설정되어 가동하고 65시간의 가동 시간이 끝나면 4㎛의 기공을 갖는 필터의 가동을 멈추고 5㎛의 기공을 갖는 필터의 가동을 시작할 수 있다.
유로관(330)은 필터(310)와 이어지게 형성되며 몸체(100)의 외부로 연장되어반응물들이 반응하여 생성된 전구체와 반응 용액 중 전구체는 필터(310)의 외측에 달라붙고 반응 용액은 필터(310)를 통과하고 유로관(330)에 의해 유도되어 몸체(100)의 외부로 배출되게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예 및 다른 실시 예에 따른 공침 반응기는 투입부(200)로 반응물 투입을 중단하고, 임팰러부(120)로 반응물 섞는 것을 중단하는 휴지기를 통해 필터부(300)에 들러붙은 전구체를 떼어내는 작동이 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공침 반응기의 주요부를 도시한 구성도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공침 반응기는 집수조(350)와 진공 펌프(370), 주입부(390) 및 제어부(400)를 더 포함할 수 있다.
집수조(350)는 유로관(330)과 연통하여 유로관(330)으로 배출되는 반응 용액을 집수할 수 있다.
집수조(350)에는 집수조(350)와 연통하여 몸체(100) 내부의 반응 용액을 유로관(330)을 통해 집수조(350)로 드레인(drain)하기 위한 진공 펌프(370)가 설치될 수 있다.
주입부(390)는 유로관(330)에 연통하여 유로관(330)을 통해 필터(310)로 불활성 물질을 주입할 수 있다.
주입부(390)로부터 필터(310)로 주입된 불활성 물질은 필터(310)에 의해 필터링(filtering)되면서 필터(310)의 표면에 들러붙은 전구체를 필터(310)로부터 떼어내는 역세척 기능을 할 수 있다.
불활성 물질은 질소(N2), 헬륨(He) 등과 같은 불활성 기체 또는 액체질소 등과 같은 불활성 액체일 수 있다.
제어부(400)는 집수조(350), 진공 펌프(370) 및 주입부(390)의 작동 등을 제어할 수 있다.
즉, 제어부(400)는 집수조(350)에 집수되는 반응 용액의 양을 소정의 양으로 조절할 수 있도록 집수조(350)에 집수된 반응 용액이 기 설정된 양을 채우면 배출할 수 있도록 제어할 수 있다.
집수조(350)에 집수된 반응 용액의 양을 측정하기 위해서 집수조(350)에 감지 센서를 설치할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 집수조(350)에 집수된 반응 용액의 양이 기 설정된 양보다 적으면 진공 펌프(370)를 작동시켜 집수조(350)로 반응 용액을 드레인하고, 집수조(350)에 집수된 반응 용액의 양이 기 설정된 양을 채우면 진공 펌프(370)의 작동을 멈춰 집수조(350)로 반응 용액이 흐르지 못하도록 할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 주입부(390)를 작동시켜 필터(310)에 들러붙은 전구체를 떼어낼 수 있는데, 제어부(400)는 진공 펌프(370)의 작동이 멈췄을 때 주입부(390)를 작동시켜 필터(310)에 들러붙은 전구체를 떼어낼 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실험을 통한 실시예를 들어 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
NiSO4, CoSO4, 및 MnSO4를 니켈:코발트:망간의 몰비가 6:2:2가 되도록 하는 양으로 물 중에서 혼합하여 2.4M 농도의 전이금속 함유 용액을 준비하였다.
도 1을 참조하여, 상기 전이금속 함유 용액(202)이 담겨있는 용기, 25중량% 농도의 NaOH(수산화나트륨) 수용액(201)과 9중량% 농도의 NH4OH(암모니아수; 204) 수용액을 준비하여 각각 반응기(70L)의 몸체(100)에 연결하였다.
반응기의 몸체(100)에 탈이온수 20L를 넣은 뒤 질소가스를 반응기에 10L/분의 속도로 퍼징하여 물속의 용존 산소를 제거하고, 반응기 내를 비산화 분위기로 조성하였다. 이후 25 중량% 농도의 NaOH 수용액(201) 40mL, 9 중량% 농도의 NH4OH 수용액(204) 870mL를 투입한 후, 50℃에서 550rpm의 교반 속도로 교반하여, 반응기 내의 pH를 pH 12.2을 유지하도록 하였다.
이후, 시간 당 전이금속 함유 용액을 8 mol, NaOH 수용액(201)을 16mol, NH4OH 수용액(204)을 2.4mol의 속도로 각각 반응기에 투입하여 240분 동안 반응시켜 pH 12.2에서 니켈코발트망간 복합금속 수산화물의 입자 핵을 형성하였다.
이어서, pH를 11.6이 되도록 전이금속 함유 용액(202), NaOH 수용액(201) 및 NH4OH 수용액(204)을 투입하여 니켈코발트망간 복합금속 수산화물의 입자 성장을 유도하였다. 이후 3 시간 동안 반응을 유지하여 니켈코발트망간 복합금속 수산화물 입자 성장시켰으며, 반응기(70L)의 몸체(100)는 만액이 되었다. 반응기의 몸체(100)가 만액이 되면, 반응기의 몸체(100) 내에 위치하는 여과 장치를 통해 반응이 완료된 용매를 반응기의 몸체(100) 외부로 연속적으로 배출하면서, 전이금속 함유 용액(202), NaOH 수용액(201) 및 NH4OH 수용액(204)을 계속해서 투입하여 73 시간 동안 반응을 유지하여 니켈코발트망간 복합금속 수산화물 입자를 성장시켰으며, 결과로 형성된 니켈코발트망간 복합금속 수산화물 입자를 분리하여 수세 후 120℃의 오븐에서 건조하여 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 전구체를 제조하였다.
비교예 1
연속여과방식 반응기(continuous stirred tank reactor, CSTR)를 이용하여 양극 활물질 전구체를 제조하였다.
NiSO4, CoSO4, 및 MnSO4를 니켈:코발트:망간의 몰비가 6:2:2가 되도록 하는 양으로 물 중에서 혼합하여 2.4M 농도의 전이금속 함유 용액을 준비하였다. 시간 당 상기 전이금속 함유 용액을 8 mol, NaOH 수용액을 16mol, NH4OH 수용액을 2.4mol의 속도로 연속여과방식 반응기(continuous stirred tank reactor, CSTR)에 투입하였다. 반응기의 온도는 50℃로 하고, 400rpm의 속도로 교반하여 니켈코발트망간 복합금속 수산화물을 침전시켰다. 결과로 형성된 니켈코발트망간 복합금속 수산화물 입자를 분리하여 수세 후 120℃의 오븐에서 건조하여 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 전구체를 제조하였다(BET 비표면적: 7.2 m2/g, 탭밀도: 2.02 g/cc, 종횡비: 0.86).
비교예 2
회분식(Batch) 반응기를 이용하여, 시간 당 전이금속 함유 용액을 40 mol, NaOH 수용액을 80mol, NH4OH 수용액을 12mol의 속도로 각각 투입하여 12 시간 동안 반응을 유지하여 반응기(70L)가 만액이 될때까지 니켈코발트망간 복합금속 수산화물을 성장시켰다. 반응기가 만액이 되면 반응을 종료하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 전구체를 제조하였다(BET 비표면적: 8.5 m2/g, 탭밀도: 1.84 g/cc, 종횡비: 0.89).
실험예 1: 입도 분포 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1~2에서 제조한 양극 활물질 전구체 입자의 입도 분포를 확인하기 위하여, Microtrac 社의 S-3500을 이용하여 실시예 1 및 비교예 1~2에서 생성된 양극 활물질 전구체의 입도를 측정하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 연속 농축 반응을 수행할 경우, 비교예 1~2에 비하여 좁은 입도 분포를 나타내는 양극 활물질 전구체가 제조됨을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 실시예 1에서 제조한 양극 활물질 전구체가 비교예 1~2에서 제조한 양극 활물질 전구체에 비해 입도가 더욱 균일한 것을 알 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 제조된 전구체의 SEM(Scanning Electron Microcopoe) 사진이고, 도 8은 본 발명의 비교예 1에서 제조된 전구체의 SEM 사진이고, 도 9는 본 발명의 비교예 2에서 제조된 전구체의 SEM 사진이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 실시예에서 제조된 전구체(P)는 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 전구체(P')에 비해 크기가 균일한 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예와 비교예들에서 제조된 전구체의 부피기준 입도 분포를 도시한 분포도이다.
도 10을 통해, 실시예에서 제조된 전구체(a)가 비교예에 의해 제조된 전구체(b) 및 비교예2에 의해 제조된 전구체(c)에 비해 좁은 입도 분포를 가짐을 확인할 수 있다.
따라서 실시예(a)에서 제조된 전구체의 크기가 가장 균일함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전구체의 생산 수율을 높이는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 필터부는 복수 개의 주름 필터의 기공의 크기를 각각 3㎛ ~ 5㎛ 범위 내에서 서로 기공의 크기가 다르게 형성되어 여과 유량을 향상시키고 연속 여과 시스템을 구현하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 생산 공정 중 주입부로부터 필터로 주입된 불활성 물질은 필터에 의해 필터링(filtering)되면서 필터의 표면에 들러붙은 전구체를 필터로부터 떼어내는 역세척이 가능하여 연속여과방식을 구현하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 필터부를 탈착 함에 따라 연속여과방식, 회분식(Batch), 연속 반응(CSTR)으로 모두 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 생산되는 전구체의 품질 편차을 고르게 하는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 공침 반응기를 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 실시가 가능하다.
100: 몸체
110: 드레인부
120: 임팰러부
121: 날개부
123: 구동장치
130: 커버
131: 고정부
200: 투입부
201: 수산화나트륨 수용액 투입 관
202: 금속 용액 투입 관
203: 질소 투입 관
204: 암모니아수 수용액 투입 관
300: 필터부
310: 필터
330: 유로관
350: 집수조
370: 진공 펌프
390: 주입부
400: 제어부

Claims (20)

  1. 반응물을 내부에 수용하여 반응시키는 몸체(100);
    상기 몸체(100)의 내부로 상기 반응물을 투입하는 투입부(200); 및
    상기 몸체(100)의 내부에 설치되고 상기 몸체(100)의 내부에서 상기 반응물이 반응하여 생성된 전구체와 반응 용액 중 상기 전구체를 필터링(filtering) 하는 필터부(300); 를 포함하되,
    상기 필터부(300)는,
    상기 몸체(100)의 상단부 또는 상부 측면에 설치되고 상호 이격된 복수개가 구비되며,
    상기 몸체(100)의 내부에 위치하여 상기 반응물이 반응하여 생성된 전구체와 반응 용액 중 상기 전구체를 필터링하는 필터(310)와,
    상기 필터(310)와 이어지게 형성되며 상기 몸체(100)의 외부로 연장되고, 상기 필터(310)에 의해 전구체가 필터링 된 상기 반응 용액을 상기 몸체(100)의 외부로 배출하는 유로관(330);을 포함하고,
    상기 유로관(330)에 연통하여 상기 유로관(330)을 통해 상기 필터(310)로 불활성 물질을 주입하는 주입부(390)를 더 포함하고,
    상기 복수개의 필터부(300)에 각각 형성된 상기 필터(310)는 서로 기공의 크기가 다른 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 몸체(100)는 상기 몸체(100) 내부의 전구체를 외부로 배출하기 위한 드레인부(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 드레인부(110)는 상기 몸체(100)의 하부 또는 상기 몸체(100)의 상측 둘레부 중 어느 하나 이상에 형성되는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 몸체(100)는 내부 중앙 측에 상기 몸체(100) 내부의 반응물들을 섞기 위한 임팰러부(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 임팰러부(120)는 상기 몸체(100)의 상단부에 고정되고, 상기 투입부(200)는 상기 임팰러부(120)의 주변에 위치하도록 상기 몸체(100)의 상단부에 복수 개로 설치되는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 투입부(200)로 반응물 투입을 중단하고, 상기 임팰러부(120)로 반응물 섞는 것을 중단하는 휴지기를 통해 상기 필터부(300)에 들러붙은 전구체를 떼어내는 작동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로관(330)과 연통하여 상기 유로관(330)으로 배출되는 상기 반응 용액을 집수하는 집수조(350)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 집수조(350)와 연통하여 상기 몸체(100) 내부의 반응 용액을 상기 유로관(330)으로부터 상기 집수조(350)로 드레인(drain)하는 진공 펌프(370)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 진공 펌프(370)의 가동을 제어하는 제어부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 주입부(390)로부터 상기 필터(310)로 주입된 불활성 물질은 상기 필터(310)에 들러붙은 전구체를 떼어내는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  13. 청구항 1 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 불활성 물질은 불활성 기체 또는 불활성 액체인 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 주입부(390)의 가동을 제어하는 제어부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 필터(310)는 주름 필터인 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 필터(310)는 스테인레스(SUS) 소재인 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  17. 삭제
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 필터부(300)에 각각 형성된 필터(310)는, 제어부(400)에 의해 기 설정된 가동 시간에 따라 기공의 크기가 작은 필터(310)에서 기공의 크기가 더 큰 순서로 가동되는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 기 설정된 가동 시간은 각각의 복수 개의 필터(310)의 기공의 크기에 따라 서로 다르게 설정되되, 상기 기공의 크기의 증가에 따라 상기 기 설정된 가동 시간이 증가하는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 복수 개의 필터부(300)에 각각 형성된 필터(310)는 상기 제어부(400)에 의해 하나의 필터가 작동되면 다른 필터들은 작동을 멈추는 것을 특징으로 하는 공침 반응기.
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