KR20130007669A - 건조 방법 및 건조 장치 - Google Patents

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KR20130007669A
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air pressure
pressure
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KR1020127032691A
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히로키 후지와라
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

건조 방법은, 건조실내에 설치된 건조 대상물을 가열해서 소정 온도로 하는 공정과, 소정 온도를 유지하는 공정과, 건조실내의 기압을 대기압보다도 높은 소정 기압까지 상승시키는 공정과, 건조실내의 기압을 소정 기압으로부터 하강시키는 공정을 갖는다.

Description

건조 방법 및 건조 장치{DRYING METHOD, AND DRYING DEVICE}
본 발명은 건조 방법 및 건조 장치에 관한 것이다.
건조 대상물을 신속하게 건조시키는 것이 요망되고 있다. 리튬 이온 전지의 제조 공정에서는, 수분이 특히 전극에 부착되기 쉽다. 수분이 부착된 전극에 전해액이 주입되면, 그 전해액이 수분과 반응한다. 그 결과, 전극이 열화한다.
제조 환경이 이슬점 온도로 일정(이슬점 온도 : -25도 이하)하게 관리되면, 전극에 수분이 부착되지 않는다. 그러나, 이와 같이 제조 환경이 관리되는 것은 현실적으로는 곤란하다. 전해액이 주입되기 직전에, 수분이 제거되도록, 전극을 건조시키는 것이 현실적이다.
따라서, WO 01/095682에서는, 건조 대상물이 들어간 조내가 감압된다. 감압에 의해 비점이 강하한다. 그 결과, 수분이 증발하기 쉬워진다. 그로 인해, 건조 시간이 단축된다.
그러나, 이 방법에서는, 수분의 증발량은 감압 정도에 의존한다. 장치의 감압 능력이 한계에 도달하면, 감압 정도는 일정 정도로 수렴한다. 이때, 증발량도 일정해진다. 장치의 감압 능력이 낮으면, 감압 정도가 작다. 그러면, 증발량이 작다. 이러한 경우에는, 건조 능력이 낮다. 그 결과, 건조 시간은 그다지 단축되지 않는다.
본 발명은, 이러한 종래의 문제점에 착안해서 이루어진 것으로, 규모가 커지지 않고, 건조 시간을 충분히 단축할 수 있는 건조 방법 및 건조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 건조실내에 설치된 건조 대상물을 가열해서 소정 온도로 하는 공정과, 상기 소정 온도를 유지하는 공정과, 상기 건조실내의 기압을, 대기압보다도 높은 소정 기압까지 상승시키는 공정과, 상기 건조실내의 기압을, 상기 소정 기압으로부터 하강시키는 공정을 갖는 건조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 건조 대상물을 설치하는 건조실과, 상기 건조실내에 설치되고, 상기 건조 대상물을 가열해서, 소정 온도로 하고, 그 후, 그 소정 온도를 유지하는 온도 조정 기구와, 상기 건조실내의 기압을 대기압보다도 높은 소정 기압까지 상승시키고, 그 후, 하강시키는 기압 조정 기구를 갖는 건조 장치가 제공된다.
본 발명의 실시형태 및 이점에 대해서는 첨부된 도면과 함께 이하에 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 의한 건조 장치의 제1 실시형태에 사용되는 리튬 이온 2차 전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 건조 장치의 제1 실시형태를 도시하는 개략 구성도이다.
도 3은 제1 실시형태의 건조 장치의 작동을 설명하는 타임차트이다.
도 4는 감압시에 있어서, 수분의 이탈이 촉진되는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도 5는 제1 실시형태에 의한 효과를 설명하는 도면이다.
도 6은 제2 실시형태의 건조 장치의 작동을 설명하는 타임차트이다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명에 의한 건조 장치의 제1 실시형태에 사용되는 리튬 이온 2차 전지의 개략도이다. 도 1의 (A)는 리튬 이온 2차 전지의 사시도이다. 도 1의 (B)는 도 1의 (A)의 B-B 단면도이다.
리튬 이온 2차 전지(100)는 복수의 단위 전지(110)와, 외장 패키지(120)를 포함한다.
단위 전지(110)는 소정 개수 적층되어서 전기적으로 병렬 접속된다.
각각의 단위 전지(110)는 세퍼레이터(111)와, 정극(112)과, 부극(113)을 포함한다.
세퍼레이터(111)는 전해질층이다.
정극(112)은 박판의 정극 집전체(112a)와, 그 양면에 형성된 정극층(112b)을 갖는다. 또한, 최외층에 배치되는 정극(112)은 정극 집전체(112a)의 편면에만 정극층(112b)을 갖는다. 모든 정극 집전체(112a)는 하나로 집합되어서 전기적으로 병렬 접속된다. 도 1의 (B)에서는, 모든 정극 집전체(112a)는 좌측에서 하나로 집합한다. 이 집합 부분이 정극 집전부이다.
부극(113)은 박판의 부극 집전체(113a)와, 그 양면에 형성된 부극층(113b)을 갖는다. 또한, 최외층에 배치되는 부극(113)은 부극 집전체(113a)의 편면에만 부극층(113b)을 갖는다. 모든 부극 집전체(113a)는 하나로 집합되어서 전기적으로 병렬 접속된다. 도 1의 (B)에서는, 모든 부극 집전체(113a)는 우측에서 하나로 집합한다. 이 집합 부분이 부극 집전부이다.
외장 패키지(120)는 적층된 복수의 단위 전지(110)를 수용한다. 외장 패키지(120)는 고분자-금속 복합 라미네이트 필름의 시트재로 형성된다. 고분자-금속 복합 라미네이트 필름은 알루미늄 등의 금속이 폴리프로필렌 필름 등의 절연체로 피복되어 형성된다. 외장 패키지(120)는 적층된 단위 전지(110)를 수용한 상태에서, 3개의 변이 열융착된다. 나머지 1개의 변은 열융착되지 않고 개구된다. 이 변은, 후공정에서 전해액이 주액된 후에 열융착된다. 외장 패키지(120)는 정극 탭(122) 및 부극 탭(123)을 구비한다. 정극 탭(122) 및 부극 탭(123)은 단위 전지(110)의 전력을 외부로 취출하기 위한 단자이다.
정극 탭(122)의 일단부는 외장 패키지(120)의 내부에서 정극 집전부에 접속된다. 정극 탭(122)의 타단부는 외장 패키지(120)의 외부로 나온다.
부극 탭(123)의 일단부는 외장 패키지(120)의 내부에서 부극 집전부에 접속된다. 부극 탭(123)의 타단부는 외장 패키지(120)의 외부로 나온다.
도 2는 본 발명에 의한 건조 장치의 제1 실시형태를 도시하는 개략 구성도이다.
건조 장치(1)는 건조실(10)과, 온도 조정 기구(20)와, 기압 조정 기구(30)를 포함한다.
건조실(10)은 건조 대상물을 설치한다. 또한, 본 실시형태에서는, 건조 대상물은 도 1에 도시된 리튬 이온 2차 전지(100)이다. 이 리튬 이온 2차 전지(100)는 3개의 변이 열융착된다. 나머지 1개의 변은 열융착되지 않고 개구된다. 건조실(10)의 내부 기압은 기압 센서(11)에 의해 검출된다.
온도 조정 기구(20)는 건조실(10)에 설치되는 히터이다. 온도 조정 기구(20)는 건조 대상물인 리튬 이온 2차 전지(100)가 소정 온도에 도달하도록, 리튬 이온 2차 전지(100)를 가열한다. 그리고, 그 후, 온도 조정 기구(20)는 그 소정 온도를 유지하도록, 리튬 이온 2차 전지(100)를 가열한다. 구체적으로는, 온도 조정 기구(20)는 정극 탭(122) 및 부극 탭(123)을 가열한다. 온도 조정 기구(20)가 정극 탭(122) 및 부극 탭(123)을 가열하면, 열은 도면 중의 화살표와 같이 정극(112) 및 부극(113)에 전해진다. 리튬 이온 2차 전지(100)가 건조될수록, 온도 조정 기구(20)가 공급하는 열량은 적어진다. 즉, 온도 조정 기구(20)는 전지 내부의 잔존 수분량에 따라 가열량을 조정한다. 또한, 소정 온도라함은, 전지를 구성하는 재료 중에서 내열 온도가 가장 낮은 재료의 내열 온도를 초과하지 않는 범위에서, 가능한 한 높은 온도가 바람직하다. 또한, 소정 온도는 일정값으로 유지되지 않아도 된다. 즉, 잔존 수분의 증발을 방해하지 않는 범위이면, 온도는 변동되어도 좋다.
기압 조정 기구(30)는 건조실(10)의 실내 기압을 상승 및 하강시킨다. 기압 조정 기구(30)는 진공 펌프(31)와, 압력 조정 탱크(32)와, 3방 밸브(33)를 포함한다.
진공 펌프(31)는 3방 밸브(33)를 통해서 건조실(10)에 접속된다. 진공 펌프(31)는 건조실(10)의 공기를 흡인한다. 그 결과, 건조실(10)의 기압이 하강한다.
압력 조정 탱크(32)는 3방 밸브(33)를 통해서 건조실(10)에 접속된다. 압력 조정 탱크(32)는 압축 공기를 축적한다. 압력 조정 탱크(32)는 압축 공기를 건조실(10)에 공급한다. 그 결과, 건조실(10)의 기압이 상승한다.
3방 밸브(33)는 건조실(10)의 연통처를 진공 펌프(31) 또는 압력 조정 탱크(32)로 전환한다.
도 3은 제1 실시형태의 건조 장치의 작동을 설명하는 타임차트이다.
우선 처음에, 온도 조정 기구(20)가 작동해서, 건조실(10)에 설치된 리튬 이온 2차 전지(100)가 목표 온도로 되도록 가열된다(가열 공정 #101). 또한, 목표 온도는 전지를 구성하는 재료 중에서 내열 온도가 가장 낮은 재료의 내열 온도를 초과하지 않는 범위에서 가능한 한 높은 온도가 바람직하다. 그 후, 그 온도가 유지되도록, 리튬 이온 2차 전지(100)가 가열된다(유지 공정 #102).
그리고, 기압 조정 기구(30)가 작동해서, 건조실(10)의 실내 기압이 대기압보다도 높은 소정 기압까지 상승된다(상승 공정 #103). 구체적으로는, 3방 밸브(33)를 전환해서 건조실(10)과 압력 조정 탱크(32)가 연통된다. 그러면, 압력 조정 탱크(32)에 축적되어 있는 압축 공기가 건조실(10)에 공급된다. 그 결과, 건조실(10)의 기압이 상승한다.
시각 t1에서, 건조실(10)의 기압이 목표 기압에 도달하면, 3방 밸브(33)가 전환되어 건조실(10)과 진공 펌프(31)가 연통된다. 그러면, 진공 펌프(31)가 건조실(10)의 공기를 흡인한다. 그 결과, 건조실(10)의 기압이 하강한다(하강 공정 #104).
시각 t2에서, 건조실(10)의 기압이 목표 기압에 도달하면, 다시 3방 밸브(33)가 전환되어 건조실(10)과 압력 조정 탱크(32)가 연통된다. 그 결과, 건조실(10)의 기압이 상승한다.
이상의 공정이 순차 반복된다.
이와 같이 하면, 특히 감압시(예를 들어 시각 t1 내지 t2)에 있어서, 수분의 이탈이 촉진되므로, 건조 시간이 단축된다. 이것에 대해서 도 4를 참조해서 설명한다.
도 4는 감압시에 있어서, 수분의 이탈이 촉진되는 메커니즘을 설명하는 도면이며, 도 4의 (A)는 보통 압력 상태를 도시하고, 도 4의 (B)는 가압 상태를 도시하고, 도 4의 (C)는 감압 상태를 도시한다.
도 4의 (A)에 도시된 바와 같이, 보통 압력 상태의 물방울의 접촉각이 θ0이다.
건조실(10)의 기압을 올리면, 도 4의 (B)에 도시된 바와 같이, 물방울의 접촉각은 θ0보다도 작은 θ1로 된다. 즉, 기압이, 실선 화살표 A1과 같이 물방울을 가압해서, 재료에 부착시키도록 작용한다. 이 상태에서는, 파선 화살표 B1에 도시된 바와 같이 내부 에너지가 저류된다.
계속해서, 건조실(10)의 기압이 내려가면, 도 4의 (C)에 도시된 바와 같이, 물방울의 접촉각은 θ0보다도 큰 θ2로 된다. 즉, 기압이 물방울을 가압하는 힘이 약해진다. 그리고, 이 상태에서는, 파선 화살표 B2에 도시된 바와 같이 내부 에너지가 개방되어, 물방울이 증발한다. 또한, 기압이 내려감으로써 비점이 강하하기 때문에, 물방울이 증발하기 더 쉬워진다.
도 5는 제1 실시형태에 의한 효과를 설명하는 도면이다.
비교 형태에서는, 건조실내의 압력이 진공이 일정하게 유지된 상태에서, 온도 조정 기구(20)가 리튬 이온 2차 전지(100)를 소정 시간 가열했다. 이 경우의 수분 감소율은 정극에서 8.8％, 부극에서 71.1％이었다.
이에 대해, 본 실시형태에 따르면, 동일한 시간에 있어서의 수분 감소율은 정극에서 14.8％, 부극에서 94.6％이었다.
건조실내의 압력을 상승 및 하강시키는 본 실시형태의 쪽이 압력을 일정하게 하는 비교형태보다도 정극 및 부극이 건조되기 쉽다. 즉, 건조 시간이 단축된다.
리튬 이온 전지의 제조 공정에서는, 수분이 특히 전극에 부착되기 쉽다. 수분이 부착된 전극에 전해액이 주입되면, 그 전해액이 수분과 반응한다. 그 결과, 전극이 열화된다. 여기에서 전해액이 주입되기 직전에, 수분이 제거되도록, 전극을 건조시킬 필요가 있다. 그러나, 전극은 외장 패키지의 내부에 있다. 이 때문에, 전극을 건조시키기는 어렵다. 외장 패키지의 내부가 고온이면, 외장 패키지의 내부의 부품에 부착된 수분이 증발하기 쉽다. 그러나, 전지는 이종 재료가 복잡하게 구성되어 있다. 따라서, 내열 온도가 낮은 재료도 존재한다. 이러한 재료의 내열 온도를 초과하는 고온으로 할 수는 없다.
이와 같은 이유에서, 외장 패키지의 내부 부품을 신속하게 건조하는 것은 곤란했다.
이에 대해, 본 실시형태에서는, 내열 온도가 가장 낮은 전지 구성 재료의 내열 온도를 초과하지 않도록, 온도 조정 기구(20)가 건조실(10)에 설치된 리튬 이온 2차 전지(100)를 가열한다. 특히, 온도 조정 기구(20)가 정극 탭(122) 및 부극 탭(123)을 가열하기 때문에, 외장 패키지의 내부가 가열된다. 따라서, 신속하게 건조할 수 있다.
그리고, 기압 조정 기구(30)가 작동하여, 건조실(10)의 실내 기압이 대기압보다도 높은 소정 기압까지 상승된 후, 하강된다. 실내 기압이 대기압보다도 높으면, 수분에는 내부 에너지가 저류된다. 그리고, 실내 기압이 내려가면, 그 내부 에너지가 개방된다. 그 결과, 수분이 증발하기 쉬워진다. 특히, 실내 기압이 대기압보다도 낮으면, 물의 비점이 강하한다. 실내 기압이 대기압보다도 낮으면 낮을 수록, 비점이 강하한다. 그 결과, 물이 증발하기 쉬워진다. 여기에 추가하여, 재료 표면에 부착되어 있는 수분의 부력이 상승하고, 수분 이탈이 조장된다. 따라서, 건조 시간이 단축된다.
또한, 상술한 WO 01/095682 방법에서는, 수분의 증발량은 감압 정도에 의존한다. 감압 정도를 크게 하는 데는, 펌프의 능력을 올리거나, 조를 두껍게 해야 한다. 그 결과, 장치가 크게 되어서 비용이 늘어난다. 장치의 감압 능력의 한계에 도달하면, 감압 정도는 일정 정도로 수렴한다. 이때, 증발량도 일정해진다. 장치의 감압 능력이 낮고 감압 정도가 작으면, 증발량이 작다. 이러한 경우에는, 건조 능력이 낮으므로, 건조 시간은 그다지 단축되지 않는다.
이에 대해 본 실시형태에서는, 감압 정도를 크게 하지 않아도 좋다. 따라서, 대규모 장치가 아니어도 실현할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 6은 제2 실시형태의 건조 장치의 작동을 설명하는 타임차트이다.
본 실시형태에서는, 건조실(10)에 설치된 리튬 이온 2차 전지(100)가 목표 온도에 도달할 때에 목표 기압으로 되도록, 건조실(10)의 실내 기압을 상승시켜진다(상승 공정 #103).
즉, 본 실시형태에서는, 시각 t1에서 건조실(10)에 설치된 리튬 이온 2차 전지(100)가 목표 온도에 도달한다. 이 타이밍에서 건조실(10)의 실내 기압이 목표 기압으로 된다.
이와 같이 하면, 건조 시간이 더 단축된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 상기 실시형태는 본 발명의 적용 예의 일부를 도시한 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시형태의 구체적 구성에 한정하는 취지가 아니다.
예를 들어, 기압 조정 기구는 상술한 바와 같이 예시한 것에 한정되지 않는다. 펌프에서 가압되어 기압을 높일 수 있어도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 건조실의 실내 기압이 소정압에 도달했는가 아닌가가 압력 센서(11)에 의해 직접 검출되었다. 이것에 한정되지 않고, 3방 밸브(33)의 전환 시간에 의거하여 추정(간접적으로 검출)되어도 좋다.
본 출원은 2010년 5월 17일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2010-112935호에 하여 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

Claims (6)

  1. 건조실(10) 내에 설치된 건조 대상물(100)을 가열해서 소정 온도로 하는 공정(#101)과,
    상기 소정 온도를 유지하는 공정(#102)과,
    상기 건조실(10) 내의 기압을 대기압보다도 높은 소정 기압까지 상승시키는 공정(#103)과,
    상기 건조실(10) 내의 기압을 상기 소정 기압으로부터 하강시키는 공정(#104)을 갖는 것을 특징으로 하는, 건조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 건조실(10) 내의 기압을 상승시키는 공정(#103)은, 상기 건조 대상물(100)이 소정 온도에 도달할 때에, 상기 건조실(10) 내의 기압을 상기 소정 기압으로 하는 것을 특징으로 하는, 건조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 건조실(10) 내의 기압을 상승시키는 공정(#103)은, 상기 건조 대상물(100)이 소정 온도로 유지되어 있을 때에, 상기 소정 기압으로 되도록 상기 건조실(10) 내의 기압을 상승시키는 것을 특징으로 하는, 건조 방법.
  4. 건조 대상물(100)을 설치하는 건조실(10)과,
    상기 건조실(10) 내에 설치되고, 상기 건조 대상물(100)을 가열해서, 소정 온도로 하고, 그 후, 그 소정 온도를 유지하는 온도 조정 기구(20)와,
    상기 건조실(10) 내의 기압을 대기압보다도 높은 소정 기압까지 상승시키고, 그 후, 하강시키는 기압 조정 기구(30)를 갖는 것을 특징으로 하는, 건조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 건조 대상물(100)은 외장재(120)와, 그 외장재(120)의 내부에 설치되는 전극(112, 113)을 포함하는 발전 요소인 것을 특징으로 하는, 건조 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 온도 조정 기구(20)는 일단부가 상기 외장재(120)의 내부에서 상기 전극(112, 113)에 접속되는 동시에 타단부가 상기 외장재(120)의 외부로 나오는 단자(122, 123)를 가열하는 것을 특징으로 하는, 건조 장치.
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