KR102444971B1 - 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 이차전지용 양극활물질 제조시 반응기 내부에서 결정핵의 혼합을 상하부층으로 이동하면서 활발하게 진행하여 결정의 성장속도를 높여 결정지름을 증가시키고, 무선통신에 의해 제어 가능하도록 구성하여 작업자의 활동영역을 확장시킬 수 있는 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치에 관한 것이다.

Description

이차전지 양극활물질 제조용 반응장치{Reactor for manufacturing positive electrode materials of secondary battery}
본 발명은 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 이차전지용 양극활물질 제조시 반응기 내부에서 결정핵의 혼합을 상하부층으로 이동하면서 활발하게 진행하여 결정의 성장속도를 높여 결정지름을 증가시키고, 무선통신에 의해 제어 가능하도록 구성하여 작업자의 활동영역을 확장시킬 수 있는 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치에 관한 것이다.
최근 스마트폰, 노트북 등 모바일 기기에 대한 수요가 증가하고 하이브리드 차량이나 전기차 시장이 성장함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히 이차전지 중에서도 대용량으로 에너지를 저장하는 에너지저장장치(ESS)산업이 폭발적인 성장하고 있으며, 이차전지에 사용되는 양극활물질을 제조 및 연구에 사용되는 공침 반응기에 대한 수요도 증가되는 추세이다.
상기 이차전지는 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 널리 사용되고 있다. 상기 리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 주로 사용되고 있고, 그 외에 리튬 함유 망간 산화물(LiMnO2, LiMn2O4)과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO2) 등이 있다.
일반적으로 리튬 이차전지의 양극 활물질은 700℃ 이상의 고온에서 고상반응법(solid state reaction)에 의해 제조되나, 이와 같은 고상반응법에 의해 양극 활물질을 제조하는 경우, 물리적인 혼합 및 분쇄를 거치므로 혼합상태가 불균일하여 여러 차례의 혼합 및 분쇄 과정을 거쳐야 하며, 결국 제조에 필요한 시간이 크게 늘어나고 제조 단가도 상승하게 되는 문제가 있다.
이에 따라, 가수분해(hydrolysis)와 축합반응(condensation)으로 이루어지는 졸-겔(sol-gel)법 및 공침법(coprecipitation)으로 대표되는 습식 제조법이 개발되었다.
상기 공침법으로는 반응기에서 전구체를 제조하고, 제조된 전구체를 소성공정을 통해서 양극 활물질을 생산하게 된다. 이때 공침법을 이용한 전구체 제조는 원료를 함유한 염화물, 질화물 또는 황화물 등을 염기성 용액에서 수산화물로 침전시키고, 이를 입도까지 성장시키는 것으로 용액의 pH, 온도, 교반 조건에 따라 양극 활물질 전구체의 형상이나 입도가 바뀌게 된다.
여기서 기존 공침법에 의한 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체 제조는 주로 연속교반탱크 반응기에서 사용되었고 상기 연속교반탱크 반응기는 반응 규모를 확대(Scale-up)하면 내부임펠러에 의한 교반속도 불균일이 증대되고, 결국 반응시간이 지연되고, 일정이상의 품질로 제조되기까지 안정화 비용이 커서, 생산성이나 경제성을 확보하는 것이 문제였다.
상기 문제점을 해결하기 위해 테일러 와류(Taylor vortex)를 이용한 반응기가 제시되었다. 상기 와류를 이용하는 반응기는 교반속도 불균일은 해소하였으나, 안정화비용으로 인하여 7 ㎛ 이하의 소입경의 경우에만 적용이 가능하고 반응 규모를 증대시킬 경우 반응기 직경이 커지면서 균일한 와류(Taylor vortex) 형성이 어렵고, 결정핵이 일정직경 이상일 경우 자체 중량에 의해 와류에 의한 상하 교반이 잘 이루어지지 않아 입자 성장이 충분하게 이루어지지 않아 양극 활물질로 사용시 에너지 저장량에 낮은 단점이 있다.
한국등록특허 제10-1967979호(2019.04.04.등록; 이하 '선행문헌1'이라 함)는 반응 장치 및 방법을 제시하였다. 상기 선행문헌1은 이차전지용 양극 활물질의 제조를 위한 공침 반응장치를 제시하였고, 대표적으로 반응용기 중심에 수직으로 교반장치가 설치되어 내부교반이 이루어지도록 하고, 원료 용액을 공급하는 원료공급수단의 투입노즐은 반응용기 바닥과 최하단 교반임펠러 사이 공간에 배치되도록 구성하여 교반이 이루어지도록 구성하고 있습니다.
상기 선행문헌1은 반응기 내의 원료 용액을 균일하도록 혼합하여 원료 용액 중 금속용액으로부터 결정핵을 생성하고 결정핵의 균일한 성장을 유도할 수 있으나, 결정직경이 증가로 중량이 증가된 금속 결정은 반응기 내부 상승류에 의해 상승이 잘 이루어지지 않아 하부에서만 이동된다. 이는 금속용액과의 접촉량이 제한되어 입자성장이 잘 이루어지지 않아 금속 결정의 직경을 증대시키기 어렵다. 따라서 금속결정은 큰 직경보다는 에너지 저장량이 낮아지는 단점이 있다.
중국등록실용신안특허 제205868269U호(2017.01.11.등록; 이하 '선행문헌2' 이라 함)은 액상 배터리 재료의 합성 반응용기를 제시하였다. 상기 선행문헌2는 교반축에 설치된 임펠러와, 교반축과 기어결합되는 분산축에 결합된 디스크를 이용하여 교반하여 반응용기 내부를 균일하게 하여 배터리 재료의 품질을 향상시키게 한 것입니다. 상기 선행문헌2는 반응기 내부를 2개의 회전축을 사용하여 균일화를 높인 방식으로 2개 회전축 구동을 위해서는 모터의 용량이 증가되어야 하며, 2개의 축이 기어결합하기 때문에 기어결합에 따른 마찰력 증가로 사용한 동력에 비해서 효율성이 낮은 문제점이 있다.
또한 상기 선행문헌1 및 2는 다수의 임펠러와 배플에 의해 내부 용액의 혼합영역이 상하층으로 구분되어 층간 이동에서 제한이 발생되고, 이동영역의 제한은 결정핵의 성장에 저해되거나 농도차이에 의한 결정형상이 다르게 형성될 수 있어 양극활물질의 품질이 저하될 수 있다.
따라서, 반응기 내부에 다수의 와류를 형성하여 균일한 혼합에 의해 pH가 균일하게 형성되도록 하면서, 전구체의 결정체가 반응기 내에서 최대한 넓은 영역으로 이동이 이루어지게 하여 최대한 균일한 환경에서의 입자성장을 촉진시킬 수 있는 새로운 구조에 대한 필요성이 대두되었다.
한국등록특허 제10-1967979호(2019.04.04.등록) : 반응 장치 및 방법 중국등록실용신안특허 제205868269U호(2017.01.11.등록) : 액상 배터리 재료의 합성 반응용기
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치는,
반응기 내부에 교반기에 의한 중심상승영역과 외측하강영역을 분리하는 내부관을 추가 설치하여 외각의 하강류가 중앙의 상승압력을 저하시키는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치는,
공침반응에 의해 이차전지 양극활물질을 제조하는 반응장치에 있어서, 내부에 수용공간이 형성된 되어 공침반응에 사용되는 용액을 투입받는 용기부재와, 상기 용기부 상부를 덮어 내부를 밀폐시키는 덮개부재와, 상기 용기부재의 상부측에 다수 형성되어 내부를 밀폐시키는 덮개부재가 분리되지 않도록 고정시키는 잠금부재로 구성된 반응기와; 상기 덮개부재에 지지부에 의해 회전가능하게 지지되면서 수직 설치되는 교반축과, 상기 교반축 상부에 결합되는 교반모터와, 상기 용기부재 내부로 내입되는 교반축 하부측에 착탈가능하게 장착되는 하나 또는 다수개의 임펠러로 구성된 교반기와; 상기 반응기 용기부재의 내부에 수직으로 설치되고 내측에 교반기의 임펠러를 위치시켜 용기부재의 내부공간을 상승류가 형성되는 중앙상승영역과 하강류가 형성되는 외측하강영역으로 구획하고, 중앙상승영역과 외측하강영역은 상부와 하부가 서로 연통되어 투입된 용액이 두 영역을 상하이동하면서 순환이 이루어지게 하는 내부관과; 상기 반응기 덮개부재에 삽통설치되어 공침반응에 사용되는 용액을 용기부재 내측 하부로 공급하고, 하단부를 교반기 임펠러 방향으로 꺾어 토출된 용액을 교반기 임펠러 방향으로 공급하어 혼합시키는 하나 또는 다수개의 원료공급관과; 상기 반응기 덮개부재에 삽통설치되어 공침반응에 사용되는 용액을 용기부재 내측 하부로 공급하는 하나 또는 다수개의 원료공급관과; 상기 교반기의 작동조절과, 원료공급관을 통한 용액 투입량 조절 및 각종 제어가 이루어지는 제어기;를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 내부관은, 상부직경이 하부직경보다 좁은 원뿔대 형상으로 형성될 수 있다.
또한 상기 용기부재는 내측 원주면을 따라 수직으로 길게 형성되는 다수개의 배플을 형성하여 하강하는 용액이 배플과 충돌하여 난류를 형성해 균일한 혼합이 이루어지도록 하고; 상기 내부관은 브래킷을 통해서 배플와 이격된 용기부재 중심에 수직설치되게 할 수 있다.
또한, 상기 반응기 덮개부재는 유공압기에 의해 상하 신축되는 승강기를 더 장착하여 개폐가 이루어지도록 하고; 상기 반응기 덮개부재는 교반기 교반축을 회전가능하게 지지하는 지지관부가 형성되고, 상기 지지관부 외측에는 이중자켓구조의 수냉각부를 더 설치하여 교반축을 지지하는 베어링 및 수밀용 리데나의 과열을 방지하게 하고; 상기 반응기 용기부재에는 외면에 용기이중자켓을 설치하여 내부 온도조절이 이루어지게 할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 제어부, 신호입출력부, 저장부, 전원부, 디스플레이부 및 무선통신부를 구비하여 각종신호 제어와 pH조절이 이루어지고, 관리자단말기로의 각종 정보를 무선제공 및 제어신호를 무선입력받아 제어가 이루어지도록 하는 무선제어기능이 포함하고; 상기 반응기에는 카메라를 더 구비하여 카메라를 통해 반응기 내부 또는 주변을 촬영하도록 하고, 촬영된 영상은 제어기를 통해 관리자단말기로 전송하여 원거리에서도 반응기 작동 제어가 이루어지게 할 수 있다.
상기 해결수단에 의한 본 발명의 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치는,
내부관에 의해 내부 용액의 상승 및 하강 영역이 분리되어 상승류 또는 하강류의 유속저하를 방지할 수 있다. 특히 하강류는 반응기 외각에서 바닥을 통해 중앙으로 강하게 유입됨으로써 중앙에서의 강한 압력에 의한 상승류를 생성시켜 결정체의 입도가 증가되어도 결정체의 순환이 가능하게 하여 지속적인 결정체 성장이 가능하게 할 수 있다.
또한 내부관에 의한 반응 용액의 상하 이동을 촉진시켜 반응기 내부의 용액 pH를 일정하게 유지시킬 수 있어 결정체의 형태를 일정하게 하여 구형도를 높일 수 있다.
또한, 반응기의 덮개부재에 장착된 교반축에는 고속회전에 의한 베어링등의 부품의 과열을 방지하기 위해 수냉각부를 설치하여 장치수명을 연장시켰다.
또한, 덮개부재는 유공압실린더를 이용한 승강장치를 장착하여 개폐를 용이하게 하여 작업성을 향상시켰다.
또한, 내부로의 반응용액 투입 등을 제어기를 통해 자동화가 이루어지도록 하고, 제어기에는 무선통신부를 추가 장착하여 각종 제어신호를 무선통신부를 통해 관리자 개인단말기로 전송하여 외부에서도 반응기의 반응상태를 확인하여 대응할 수 있는 편의성을 제공할 수 있는 유용한 장치의 제공이 가능하게 되었다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응장치를 도시한 수직단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반응기의 잠금부재를 도시한 작동상태도.
도 3은 도 1의 A-A단면도를 도시한 수평단면도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 반응장치 제어기의 구성도 및 관리자단말기와의 무선통신과정을 도시한 개략도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에서 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되고 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 상세한 설명은 하천등에 매립된 형태를 기본으로 설명하고 있으나, 저류조나 배수탱크와 같이 지상에 설치되는 구조물인 경우 기초만 본 발명의 우물통공사로 진행되고, 상부로는 저류조 벽체를 연속하여 안치 또는 양생함으로써 기초와 상부건축물을 일체로 구성시킬 수 있으며, 이러한 설치방법 역시 본 발명의 권리에 포함된다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응장치를 도시한 수직단면도이다.
참조한 바와같이 본 발명에 따른 이차전지 양극 활물질 제조용 반응장치(10)는, 반응에 사용되는 원료 용액이 저장되는 수용공간이 형성된 반응기(20)와, 상기 반응기에 수용된 용액을 교반하는 교반기(30)와, 상기 반응기 내부에 설치되는 내부관(40)과, 상기 반응기 내부로 원료용액을 공급하는 원료공급관(50)과, 상기 원료용액의 공급량과 교반시간등 각종 신호제어가 이루어지는 제어기(70)를 포함하여 구성된다.
상기 반응기(20)는, 도시된 바와같이 원료용액을 저장하는 수용공간이 형성된 용기부재(21)와, 상기 용기부재의 상부를 폐구하여 밀폐시키는 덮개부재(22)와, 상기 용기부재와 덮개부재를 견고하게 결합시키는 잠금부재(23)를 포함하여 구성된다.
상기 용기부재(21)는 통체로 저면에는 반응이 이루어진 용액을 배출시키기 위한 배출구(213)가 형성되고, 외면에는 용기이중자켓(211)이 형성되어 반응시 내부 온도를 일정하게 유지되도록 한다.
상기 덮개부재(22)는 중심에 수직으로 교반기(30)가 회전가능하게 설치되고, 다수의 통공이 형성되어 원료공급관(50)이 삽통설치된다. 또한 상기 덮개부재(22)에는 다수개의 센서가 설치되어 하부 용기부재(21)에서의 반응환경을 측정하게 할 수 있다. 예컨대 pH센서를 장착하여 pH측정값에 의해 원료 용액의 투입량을 조절하게 할 수 있고, 압력밸브를 장착하여 내부압력을 일정압력 이하로 유지되게 하거나, 온도센서를 장착하여 내부 반응온도를 측정하여 원하는 온도로 조절하게 할 수 있다.
상기 잠금부재(23)는 용기부재(21)의 일측에 설치되어 덮개부재(22)를 고정시켜 내부 압력 또는 교반진동에 의해 용기부재로부터 덮개부재가 이격되어 내부가 개방되는 것을 방지하는 것으로, 공지된 다양한 수단이 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예를 살펴보면, 잠금부재(23)는 잠금축(231) 하단이 용기부재 상부의 외측면에 장착된 브래킷에 힌지결합하고, 잠금축 상단은 잠금몸체(232)에 스프링결합되어 전체길이를 신축되도록 하고, 잠금몸체(232)는 측면에 걸림부(233)를 형성하여 덮개부재에 걸림이 이루어져 탈거를 방지하고, 잠금몸체의 일측에는 조임부(234)를 구비하여 나사조임방식에 의해 잠금몸체(232)과 잠금축(231)의 결합길이를 신축시켜 덮개부재(22)로부터 탈거 또는 잠금이 이루어지도록 하는 구조로 제공된다.
상기 잠금부재(23)는 조임부의 조작에 의해 덮개부재(22)를 용기부재(21)측으로 압밀하여 밀폐력을 증가시킬 수 있으며, 덮개부재와 용기부재의 접촉면 사이에는 금속 또는 고무 패킹을 설치하여 밀폐력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 잠금부재는 반응기에 적어도 2개 이상 등간격으로 설치하며, 안정적인 잠금기능을 제공할 수 있다.
이와같이 구성된 반응기는 육면체로 조립되는 프레임에 고정하여 사용할 수 있다.
다음으로 상기 교반기(30)는, 덮개부재에 회전가능하게 설치되는 교반축(31)과, 상기 교반축 상부에 결합되는 교반모터(32)와, 상기 용기부재 내부로 내입되는 교반축 하부측에 착탈 가능하게 장착되는 하나 또는 다수개의 임펠러(33)로 구성된다.
상기 교반축(31)은 덮개부재의 중심을 수직으로 관통하여 결합된 축 전체를 총칭한 것이며, 덮개부재에 회전가능하게 결합되는 지지축부와, 상기 지지축부 하부에 결합되어 용기부재로 내입되어 임펠러가 장착되는 부분인 교반축부와, 상기 지지축부 상부에 결합되는 모터출력축인 구동축부로 구분된다.
또한 상기 교반축(31)은 덮개부재(22)에 다접점에 의해 지지된다. 즉, 덮개부재(22)의 중심에는 교반축(31)을 내입하는 지지관부(221)를 수직으로 형성하고, 지지관부에 교반축(31)을 내입하고, 지지관부와 교반축 사이는 베어링과 리데나를 설치하여 회전과 수밀이 이루어지도록 한다.
상기 베어링과 리데나는 교반축의 고속회전시 마찰에 의해 열이 발생되어 제품수명을 단축시키고, 발생된 열은 반응기 반응에 관여하여 균일한 반응온도 유지가 곤란함으로 이를 방지하기 해서 지지관부(221) 외측에는 이중자켓구조인 수냉각부(222)가 더 형성되어 베어링 및 리데나의 과열을 방지한다.
또한 상기 덮개부재(22)는 교반모터(32)가 포함된 교반기(30)가 장착됨으로 개폐가 용이하게 이루어지도록 승강기(60)를 더 장착할 수 있다. 상기 승강기는 유공압기 1개 또는 2개를 사용하여 조작에 의해 자동으로 승강이 이루어지게 할 수 있다. 물론 정위치로의 승강이 이루어지기 위해 별도의 지지봉을 설치하여 지지봉을 따라 승강이 이루어지게 하는 등 공지된 다양한 형태에 의해 승강기 구조를 제공할 수 있다.
상기 내부관(40)은, 상기 반응기 용기부재(21)의 내부에 수직으로 설치되고 내측에 교반기의 임펠러(33)를 위치시켜 용기부재(21)의 내부공간을 상승류가 형성되는 중앙상승영역(216)과 하강류가 형성되는 외측하강영역(217)으로 구획하는 기기이다.
이와같은 내부관(40)은 상부와 하부가 개구되어 있어 중앙상승영역(216)과 외측하강영역(217)이 내부관(40)의 상부영역과 하부영역을 통해서 서로 연통되고, 반응기로 투입된 용액은 중앙상승영역과 외측하강영역을 순환하면서 공침반응이 이루어지도록 한다.
따라서, 상기 내부관(40)의 직경은 반응기 직경의 0.3~0.5배로 형성하여 중앙에서 강력한 상승류를 형성하고, 외측에서 하강하면서 공침반응이 유도되게 하는 것이 바람직하다.
상기 내부관(40)은 상부와 하부의 직경이 동일한 직선관으로 형성하거나, 도시된 바와같이 하부직경이 상부직경보다 큰 원뿔대 형상으로 형성할 수 있다. 이와같이 원뿔대 형태로 형성하면 하강류는 하강하면서 내부관 외면에 안내되어
반응기 하부공간에도 중심에서 외측으로 하강하고 바닥부분에서 중심으로 반향전환하여 진행한다. 즉, 하강류는 외측방향으로 이동하면서 하강하게 함으로써 중심의 상승류와 강하게 접촉되는 것을 방지해 상승압력이 저하되는 것을 최소할 수 있다. 이와같이 상승압력 저하를 최소화하면 결정체의 입도가 증가하여도 결정체를 상승부유시켜 지속적인 순환에 의한 성장이 이루어지게 할 수 있다.
상기 원료공급관(50)은, 반응기의 덮개부재(22)에 삽통설치되어 화학반응에 사용되는 용액을 용기부재 내측으로 공급하는 관체이다. 상기 원료공급관(50)은 별도의 원료저장부로부터 원료를 공급받아 반응기로 투입하는 것으로 원료공급관과 원료저장부 사이에 단속밸브를 설치하여 필요시 단속에 의해 적정량의 투입이 이루어지게 할 수 있으며, 투입되는 원료에 따라 다수개로 구성하여 각 원료의 공급량을 개별적으로 단속하게 할 수 있다.
상기 원료공급관(50)은 용기부재 내부에 배치되는 하단의 원료배출구를 내부관(40)의 하부영역에 배치시키되 하단부를 교반기 임펠러(33) 방향으로 꺾어 원료배출관(50)에서 토출된 원료가 즉시 교반기의 임펠러(33) 방향으로 유입되어 혼합에 의해 균일화가 이루어지게 할 수 있다.
본 발명의 양극활물질 제조에 사용되는 원료용액으로는, 대표적으로 니켈 코발트 망간으로 조성되는 금속용액, 착이온 형성을 위한 시약인 암모니아(NH4OH), pH조절제인 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 공침반응을 구현하며, 이외에도 양극활물질 제조를 위한 다양한 원료를 사용할 수 있다.
상기 제어기(70)는, 반응기를 포함하는 반응장치의 각종 신호를 제어하는 장치이다. 대표적으로는 교반기의 작동과 회전속도를 제어하고, 원료공급관을 통한 원료의 투입량 조절과, 반응기 내부 온도를 일정하게 유지하기 위해 이중자켓의 온도조절과, 승강기의 작동과, 교반축을 지지하는 지지관부의 수냉각부 냉각수 순환 등에 대한 제어가 이루어지도록 한다.
따라서 상기 제어기(70)는 반응기 일측에 각종 조작버튼과 정보를 제공하기 위한 디스플레이부 등 관리자가 정보를 확인하고 제어가 이루어질 수 있는 구조를 제공할 수 있다.
도 3을 참조한 바와같이 본 발명의 용기부재(21) 내측으로 다수개의 배플(212)을 형성하여 균일한 혼합이 이루어지게 할 수 잇다. 상기 배플(212)은 용기부재 내벽면에 상하방향으로 길게 형성된 판체로 구성하여 내부관 내측에서 상부를 통해 외측방향으로 이동된 반응용액이 배플과 충동하여 난류를 형성하고, 난류에 의해 더 균일한 혼합이 이루어지게 구성할 수 있다. 상기 배플은 필요에 따라 다수개가 용기부재 내면을 따라 등간격으로 형성할 수 있다.
이와같이 용기부재(21) 내면에 배플(212)이 형성되면, 상기 배플에 브래킷을 설치하여 고정시키고, 배플 브래킷에 내부관 브래킷을 안치하여 고정시킴으로써 내부관(40)을 중심에 고정설치할 수 있다.
도 4를 참조한 바와같이 상기 제어기(70)에는 제어부(71), 신호입출력부(72), 저장부(73), 전원부(74), 디스플레이부(75) 및 무선통신부(76)를 구비한다.
상기 제어부(71)는 입력된 신호에 의한 연산 및 판단이 이루어지는 등 각종 신호흐름을 제어한다.
또한, 신호입출력부(72)는 제어기로의 신호입력이나 기기로부터 측정값을 입력받거나 입력된 신호에 따른 작동신호를 출력한다.
또한 상기 저장부(73)는 측정값 또는 설정값에 따른 대응신호를 저장하고, 각종 필요한 데이터의 저장이 이루어진다.
또한, 상기 전원부(74)는 각 부품에 전원을 공급하여 단속이 이루어지도록 한다.
또한, 상기 디스플레이부(75)는 각종 정보를 표시하는 부분이다. 표시정보로는 센서측정값 또는 조작에 의해 설정값등 일 수 있다
또한 상기 무선통신부(76)는 디스플레이부(75)로 표시되는 모든 정보를 이미 설정된 관리자단말기(80)로 전송하여 반응장치와 원거리에 위치하는 관리자단말기로 반응기의 상태정보를 제공하고, 관리자단말기를 통해서 필요한 조치를 입력하여 장치구동이 이루어지게 할 수 있다. 일예로 pH가 설정범위를 벗어날 경우 제어기는 설정된 조치에 의해 pH조절제를 투입하고 이를 관리자단말기로 전송하여 반응기의 작동상태에 대한 정보를 관리자에게 제공한다. 또한, 관리자는 pH조절제의 투입량을 설정된 것보다 더 투입할 경우 관리자단말기를 통해 직접 투입량을 입력하여 반응이 이루어지게 할 수 있어 원거리에서도 반응기의 관리가 이루어지게 해 관리자의 이동범위를 확대시켜 관리의 편의성을 제공할 수 있다.
도 5를 참조한 바와같이 본 발명의 반응기(20)에는 카메라(24)를 추가로 장착하여 반응기 내부 또는 반응기가 설치된 장소 주변을 촬영하여 제어기(70)를 통해서 관리자단말기(80)로 전송해 확인이 이루어지게 할 수 있고, 위험요소가 감지되면 즉시 신호를 관리자단말기로 보내어 확인 및 대응이 이루어지게 할 수 있다.
이러한 영상은 원거리에서 설정조작시 정상적으로 작동이 이루어지고 있는지 여부를 제어기의 수치데이터 이외에 관리자가 관리자단말기의 영상을 통해서도 확인할 수 있어 근거리에서 반응장치를 조작하는 것과 유사한 작업환경을 제공할 수 있다.
또한, 상기 반응기에는 내부확인창을 형성하여 덮개부재를 개방하지 않고서도 내부상태의 확인이 가능하며, 내부확인창 측에도 카메라를 장착하여 원거리에서도 확인이 가능하게 할 수 있다.
상기한 바와같이 구성되는 본 발명에 따른 이차전지 양극활물물질 제조용 반응장치(10)는,
반응기(20) 덮개부재(22)를 하강시켜 용기부재(21)에 밀착시키고, 잠금부재(23)를 통해서 내부가 밀폐되도록 밀폐시킨 다음 원료공급관(50)을 통해서 미리 계산된 량만큼 금속용액과 착이온시약, pH조절제를 투입하고, 교반기(30)를 작동시켜 혼합이 이루어지도록 한다. 이때 교반기(30)의 회전력에 의해 내부관(40) 내측의 중앙상승영역에는 상승류가 형성되어 혼합용액이 회오리형태로 회전하면서 상승되어 개구된 내부관 상단을 통해 상부영역으로 이동되고, 상부영역으로 이동된 혼합용액은 외측의 외측하강영역으로 이동한 다음 하강한다.
이와같이 내부관(40)에 의해 상승영역과 하강영역을 구분해줌으로써 상승류의 상승압력이 하강류에 의해 감소되는 것을 방지해 성장에 의해 입도가 커진 결정체도 상하 순환시켜 균일한 농도에서의 성장촉진으로 생산된 결정체의 입도를 기존 보다 더 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 외측하강영역을 통해 하강하는 용액은 저속으로 회전하면서 하강이 이루어지며, 용기부내 내벽의 배플에 의해 흐름이 변화되면서 난류가 형성되어 결정체 또는 반응용액을 혼합해 반응용액의 농도를 더욱 균일하게 형성하여 결정체의 성장이 균일하게 이루어지도록 하여 결정체의 구형도를 높일 수 있다.
또한, 상기 과정에서 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지시키기 위해 용기이중자켓(211)을 통해 온도조절이 이루어질 수 있다.
또한, 교반축(31)의 고속회전에 의해 교반축과 덮개부재의 연결부분에서 고열이 발생되는 것을 방지하기 위해 수냉각부(222)를 통해 냉각이 이루어지게 할 수 있다.
또한, 반응이 완료된 결과물은 용기부재 하부의 배출구(213)를 통해서 외부로 배출되도록 할 수 있다.
상기 반응시 센서에 의해 내부압력, 온도, 교반속도 등의 각종 정보는 제어기를 통해 제공되어 관리자가 수시로 확인이 가능하게 하고, 제어기는 무선통신을 통해 미리 설정된 관리자단말기로 상기 반응시 환경정보 등 각종 정보를 제공하여 관리자가 원거리에서도 영상정보와 각종 정보를 조합하여 반응상태를 확인한 다음 대응이 가능하게 할 수 있다.
이와같이 본 발명의 반응장치는, 내부관을 통해 결정체의 순환이동이 활발하게 이루어지게 하여 구형도를 높일 수 있고, 관리자의 관리가 용이하게 이루어질 수 있는 환경의 제공이 가능하게 하는 효과를 제공한다.
10 : 반응장치
20 : 반응기
21 : 용기부재 22 : 덮개부재
23 : 잠금부재 24 : 카메라
211 : 용기이중자켓 212 : 배플
213 : 배출구
216 : 중앙상승영역 217 : 외측하강영역
221 : 지지관부 222 : 수냉각부
231 : 잠금축 232 : 잠금몸체
233 : 걸림부 234 : 조임부
30 : 교반기
31 : 교반축 32 : 교반모터
33 : 임펠러
40 : 내부관
50 : 원료공급관
60 : 승강기
70 : 제어기
71 : 제어부 72 : 신호입출력부
73 : 저장부 74 : 전원부
75 : 디스플레이부 76 : 무선통신부
80 : 관리자단말기
* 미도시부호 : 60

Claims (5)

  1. 공침반응에 의해 이차전지 양극활물질을 제조하는 반응장치에 있어서,
    내부에 수용공간이 형성된 되어 공침반응에 사용되는 용액을 투입받는 용기부재(21)와, 상기 용기부 상부를 덮어 내부를 밀폐시키는 덮개부재(22)와, 상기 용기부재의 상부측에 다수 형성되어 내부를 밀폐시키는 덮개부재가 분리되지 않도록 고정시키는 잠금부재(23)로 구성된 반응기(20)와;
    상기 덮개부재에 지지부에 의해 회전가능하게 지지되면서 수직 설치되는 교반축(31)과, 상기 교반축 상부에 결합되는 교반모터(32)와, 상기 용기부재 내부로 내입되는 교반축 하부측에 착탈가능하게 장착되는 하나 또는 다수개의 임펠러(33)로 구성된 교반기(30)와;
    상기 반응기 용기부재의 내부에 수직으로 설치되고 내측에 교반기의 임펠러를 위치시켜 용기부재의 내부공간을 상승류가 형성되는 중앙상승영역(216)과 하강류가 형성되는 외측하강영역(217)으로 구획하고, 중앙상승영역과 외측하강영역은 상부와 하부가 서로 연통되어 투입된 용액이 두 영역을 상하이동하면서 순환이 이루어지게 하고, 상부직경이 하부직경보다 좁은 원뿔대 형상으로 형성되는 내부관(40)과;
    상기 반응기 덮개부재(22)에 삽통설치되어 공침반응에 사용되는 용액을 용기부재 내측 하부로 공급하고, 하단부를 교반기 임펠러 방향으로 꺾어 토출된 용액을 교반기 임펠러(33) 방향으로 공급해 혼합시키는 하나 또는 다수개의 원료공급관(50)과;
    상기 교반기의 작동조절과, 원료공급관을 통한 용액 투입량 조절 및 각종 제어가 이루어지는 제어기(70);를 포함하여 구성되되,
    상기 반응기 덮개부재(22)는 유공압기에 의해 상하 신축되는 승강기를 더 장착하여 개폐가 이루어지도록 하고;
    상기 반응기 덮개부재(22)는 교반기 교반축(31)을 회전가능하게 지지하는 지지관부(221)가 형성되고, 상기 지지관부 외측에는 이중자켓구조의 수냉각부(222)를 더 설치하여 교반축을 지지하는 베어링 및 수밀용 리데나의 과열을 방지하게 하고;
    상기 반응기 용기부재(21)에는 외면에 용기이중자켓(211)을 설치하여 내부 온도조절이 이루어지게 한 것을 특징으로 하는 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용기부재(21)는 내측 원주면을 따라 수직으로 길게 형성되는 다수개의 배플(212)을 형성하여 하강하는 용액이 배플과 충돌하여 난류를 형성해 균일한 혼합이 이루어지도록 하고,
    상기 내부관(40)은 브래킷을 통해서 배플와 이격된 용기부재 중심에 수직설치되게 한 것을 특징으로 하는 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어기(70)는 제어부(71), 신호입출력부(72), 저장부(73), 전원부(74), 디스플레이부(75) 및 무선통신부(76)를 구비하여 각종신호 제어와 pH조절이 이루어지고, 관리자단말기(80)로의 각종 정보를 무선제공 및 제어신호를 무선입력받아 제어가 이루어지도록 하는 무선제어기능이 포함하고,
    상기 반응기(20)에는 카메라(24)를 더 구비하여 카메라를 통해 반응기 내부 또는 주변을 촬영하도록 하고, 촬영된 영상은 제어기를 통해 관리자단말기로 전송하여 원거리에서도 반응기 작동 제어가 이루어지게 한 것을 특징으로 하는 이차전지 양극활물질 제조용 반응장치.
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